El descubrimiento de un grupo internacional de científicos, que incluye a dos brasileños, puede contribuir a minimizar la contaminación causada por el material
Un grupo internacional de científicos, en el que participan dos brasileños de la Universidad de Campinas (Unicamp), logró mejorar el desempeño de la PETasa, una enzima capaz de alimentarse del polietileno tereftalato, plástico PET. Después de que se descubriera PETase en una nueva especie de bacteria en 2016, el grupo de investigadores trabajó para obtener la estructura de la enzima y comprender su funcionamiento. En este proceso, por accidente, terminaron creando una mutación de la enzima que tiene una afinidad aún mayor con el PET, es decir, un mayor potencial para degradar el plástico.
La obra tiene un enorme potencial de uso práctico, ya que se estima que cada año se arrojan a los océanos entre 4,8 y 12,7 millones de toneladas de plástico, una cantidad que solo tiende a crecer. Los plásticos, que se acumulan hasta en las playas más recónditas del planeta, son tan utilizados precisamente por su resistencia a la degradación, que es lo que más amenaza al medio ambiente. Cuando se desecha, una botella de PET, por ejemplo, puede permanecer en el medio ambiente durante 800 años, además del creciente y alarmante problema de los microplásticos.
- Comprender el impacto ambiental de los desechos plásticos para la cadena alimentaria.
- ¿Cuál es el origen del plástico que contamina los océanos?
Con todo ello, es fácil comprender el gran interés que despierta el descubrimiento de una enzima capaz de digerir polietilen tereftalato. Esta enzima, llamada PETasa, ahora ha aumentado su capacidad para degradar el plástico. La novedad fue descrita en un artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).
En la investigación participaron dos investigadores del Instituto de Química de la Universidad Estatal de Campinas (IQ-Unicamp), en colaboración con investigadores del Reino Unido (Universidad de Portsmouth) y Estados Unidos (Laboratorio Nacional de Energías Renovables). Se trata del becario postdoctoral Rodrigo Leandro Silveira y su supervisor, el profesor y prorrector de Investigación de la Unicamp Munir Salomão Skaf.
“Utilizado principalmente en la fabricación de botellas de bebidas, el tereftalato de polietileno también se utiliza mucho en la fabricación de ropa, alfombras y otros objetos. En nuestra investigación, caracterizamos la estructura tridimensional de la enzima capaz de digerir este plástico, lo diseñamos aumentando su poder de degradación y demostramos que también es activo en polietilen-2,5-furanodicarboxilato (PEF), un sustituto del PET fabricado a partir de a partir de materias primas renovables ”, dijo Silveira a Agência FAPESP.
El interés en PETase surgió en 2016, cuando un grupo de investigadores japoneses, liderado por Shosuke Yoshida, identificó una nueva especie de bacteria, Ideonella sakaiensis , capaz de utilizar tereftalato de polietileno como fuente de carbono y energía, en otras palabras, capaz de alimentarse de PET. Es, hasta el día de hoy, el único organismo conocido con esta capacidad. Crece literalmente en PET.
“Además de identificar Ideonella sakaiensis , los japoneses descubrieron que producía dos enzimas que se secretan al medio ambiente. Una de las enzimas secretadas fue la PETasa. Debido a su grado de cristalinidad, el PET es un polímero muy difícil de degradar. Técnicamente utilizamos el término "recalcitrancia" para nombrar la propiedad que tienen ciertos polímeros altamente empaquetados para resistir la degradación. PET es uno de ellos. Pero la PETasa lo ataca y lo descompone en pequeñas unidades: ácido mono (2-hidroxietil) tereftálico (MHET). Las unidades MHET luego se convierten en ácido tereftálico [por una segunda enzima] y las bacterias las absorben y metabolizan ”, dijo Silveira.
Todos los seres vivos conocidos utilizan biomoléculas para sobrevivir. Todos menos Ideonella sakaiensis, que logra utilizar una molécula sintética, fabricada por humanos. Esto significa que esta bacteria es el resultado de un proceso evolutivo muy reciente, que se ha producido en las últimas décadas. Se las arregló para adaptarse a un polímero que se desarrolló a principios de la década de 1940 y solo comenzó a utilizarse a escala industrial en la década de 1970. Para ello, PETase es la pieza clave.
“PETase hace la parte más difícil, que es romper la estructura cristalina y despolimerizar PET en MHET. El trabajo de la segunda enzima, que transforma MHET en ácido tereftálico, ya es mucho más sencillo, ya que su sustrato está formado por monómeros a los que la enzima tiene fácil acceso porque se encuentran dispersos en el medio de reacción. Por tanto, los estudios se centraron en la PETasa ”, explica Silveira.
El siguiente paso fue estudiar PETasa en detalle y esa fue la contribución de la nueva investigación. “Nuestro objetivo era descubrir qué le dio a PETase la capacidad de hacer algo que otras enzimas no podían hacer de manera muy eficiente. Para ello, el primer paso fue obtener la estructura tridimensional de esta proteína ”, dijo.
“Obtener la estructura tridimensional significa descubrir las coordenadas x, y, z de cada uno de los miles de átomos que componen la macromolécula. Nuestros colegas británicos hicieron este trabajo utilizando una técnica muy conocida y utilizada, llamada difracción de rayos X ”, explicó.
La enzima modificada se une mejor al polímero
Una vez que se obtuvo la estructura tridimensional, los investigadores comenzaron a comparar PETasa con proteínas relacionadas. La más parecida es una cutinasa de la bacteria Thermobifida fusca, que degrada la cutina, una especie de barniz natural que recubre las hojas de las plantas. Ciertos microorganismos patógenos utilizan cutinasas para romper la barrera de la cutina y apropiarse de los nutrientes presentes en las hojas.
Imagen: Estructura de PETasa, en azul, con una cadena de PET (en amarillo) conectada a su sitio activo, donde se degradará. Comunicado de Prensa / Rodrigo Leandro Silveira.
“Descubrimos que, en la región de la enzima donde ocurren las reacciones químicas, el llamado 'sitio activo', la PETasa mostraba algunas diferencias en relación con la cutinasa. Tiene un sitio activo más abierto. A través de simulaciones por computadora, y esta fue la parte en la que más contribuí, pudimos estudiar los movimientos moleculares de la enzima. Mientras que la estructura cristalográfica, obtenida por difracción de rayos X, proporciona información estática, las simulaciones permiten tener información dinámica y descubrir el papel específico de cada aminoácido en el proceso de degradación del PET ”, explica la investigadora de IQ-Unicamp.
La física de los movimientos de la molécula resulta de las atracciones y repulsiones electrostáticas del enorme conjunto de átomos y la temperatura. Las simulaciones por computadora nos permitieron comprender mejor cómo PETase se une e interactúa con PET.
“Descubrimos que la PETasa y la cutinasa tienen dos aminoácidos diferentes en el sitio activo. Luego, mediante procedimientos de biología molecular, producimos mutaciones en PETasa, con el objetivo de transformarla en cutinasa ”, dijo Silveira.
“Si pudiéramos hacer esto, mostraríamos por qué PETase es PETase, es decir, sabríamos cuáles son los componentes que le dan la propiedad peculiar de degradar el PET. Pero, para nuestra sorpresa, cuando intentamos suprimir la actividad peculiar de la PETasa, es decir, cuando intentamos transformar la PETasa en cutinasa, producimos una PETasa aún más activa. Buscamos reducir la actividad y, en cambio, la aumentamos ”, dijo.
Esto requirió más estudios computacionales para comprender por qué la PETasa mutante era mejor que la PETasa original. Con el modelado y las simulaciones se pudo notar que los cambios producidos en PETasa favorecen el acoplamiento de la enzima con el sustrato.
La enzima modificada se une mejor al polímero. Este acoplamiento depende de factores geométricos, es decir, el tipo de ajuste de "llave y cerradura" entre las dos moléculas. Pero también de los factores termodinámicos, es decir, de las interacciones entre los diversos componentes de la enzima y el polímero. La forma elegante de describir esto es decir que la PETasa modificada tiene "mayor afinidad" por el sustrato.
En términos de una futura aplicación práctica, de obtener un ingrediente capaz de degradar toneladas de residuos plásticos, el estudio fue un gran éxito. Pero la pregunta de qué hace que PETase sea una PETase sigue sin respuesta.
“La cutinasa tiene los aminoácidos ay b. La PETasa tiene los aminoácidos xey. Imaginamos que intercambiando xey por ayb, podríamos transformar PETasa en una cutinasa. En cambio, producimos una PETasa mejorada. En otras palabras, los dos aminoácidos no son la explicación del comportamiento diferencial de las dos enzimas. Es otra cosa ”, dijo Silveira.
Desarrollos en curso
La cutinasa es una enzima antigua, mientras que la PETasa es una enzima moderna, resultado de la presión evolutiva que permitió a Ideonella sakaiensis adaptarse a un medio que contiene solo o principalmente tereftalato de polietileno como fuente de carbono y energía.
Entre las muchas bacterias que no pueden usar este polímero, alguna mutación generó una especie que logró hacerlo. Esta bacteria comenzó a reproducirse y crecer mucho más que las demás porque tenía suficiente comida. Con eso, se desarrolló. Al menos esa es la explicación proporcionada por la teoría evolutiva estándar.
“El hecho de que obtuvimos una mejor enzima haciendo un pequeño cambio sugiere fuertemente que esta evolución aún no se ha completado. Aún quedan nuevas posibilidades evolutivas por comprender y explorar, con el fin de obtener enzimas aún más eficientes. PETase mejorado no es el final del camino. Es solo el comienzo ”, dijo Silveira.
De cara a la aplicación, el siguiente paso es pasar de la escala de laboratorio a la industrial. Para ello, serán necesarios más estudios relacionados con la ingeniería de reactores, la optimización de procesos y la reducción de costes.
