#ECOSCIENZA – BIODEGRADAZIONE DEL PET

Abstract: Analizziamo una nuova importante ricerca sullo studio di enzimi in grado di degradare sempre più velocemente il PET, al momento una delle più concrete del campo.

Quante, sono le volte in cui sentiamo parlare del problema della plastica nel mondo? Quante, sono le volte in cui ci siamo chiesti, se esista un concreto impegno nella lotta all’inquinamento?

E’ doveroso conoscere e prendere atto di questo importante problema per il pianeta.

In particolar modo il suo incorretto smaltimento, provoca molti danni, raggiungendo anche habitat lontani dall’influenza umana. Tutto questo, è dovuto al sempre più frequente e diffuso utilizzo di prodotti plastici, che risultano dannosi se poi non smaltiti in modo adeguato. Quindi ecco a voi uno scorcio di futuro: una possibile soluzione di questo immenso problema.

IL PET

Le stime attuali suggeriscono che dei 359 milioni di tonnellate di plastica prodotte ogni anno nel mondo, 150-200 milioni di tonnellate si accumulano nelle discariche o nell’ambiente naturale. Il poli etilene tereftalato (PET) è la plastica poliestere più abbondante, con quasi 70 milioni di tonnellate prodotte ogni anno in tutto il mondo per l’uso nei tessuti e negli imballaggi. Il principale processo di riciclaggio del PET, tramite mezzi termomeccanici, si traduce in una perdita delle proprietà meccaniche . Di conseguenza, la sintesi de novo è preferita e i rifiuti di PET continuano ad accumularsi.

Con un alto rapporto di unità aromatiche di tereftalato, che riducono la mobilità della catena, il PET è un poliestere estremamente difficile da idrolizzare . 

E perciò la sua struttura non si decompone facilmente (prodotti in PET possono impiegare fino e oltre i 100 anni per degradarsi)

Ma…

se correttamente smaltito questo materiale è riciclabile: se ridotto ai minimi termini, alla materia grezza iniziale, si può riciclare completamente senza perdere qualità

Tuttavia i procedimenti chimici sono molto costosi mentre i procedimenti meccanici portano ad un calo della qualità del PET

Affacciamoci quindi ad una nuova, interessantissima #ecoscienza:

Vi ricordate del batterio identificato all’interno di una discarica di plastica in Giappone? ideonella sakaiensis, questo microorganismo é in grado di digerire e di trarre nutrimento dalla plastica grazie ad un particolare enzima la PETasi

Dopo anni di ricerca sul com’è potenziare questo enzima si intravedono speranze per una concreta, futura, rivoluzione nel campo della degradazione del PET

Ecco cosa hanno fatto.. partendo da lavori di ricerca precedenti, hanno unito questo enzima già accuratamente ottimizzato ad un altro enzima

Quindi non uno, ma due enzimi estratti da questo batterio sono stati potenziati: una sorta di super-enzima che degrada le bottiglie sei volte più velocemente di quello creato precedentemente.

Un autentico super-enzima di seconda generazione, insomma, che è stato progettato collegandone due separati tramite corte sequenze amminoacidiche chiamati PETase e MHETase

Quando abbiamo collegato gli enzimi, in modo piuttosto inaspettato, abbiamo ottenuto un notevole aumento dell’attivitàQuesta è la direzione giusta verso il tentativo di produrre enzimi più veloci che sono più rilevanti a livello industriale”.

John McGeehan

Il lavoro del 2018 aveva stabilito che la struttura di un enzima, chiamato PETase, può attaccare la superficie dura e cristallina delle bottiglie di plastica. Si era scoperto, per caso, che una versione mutante funzionava il 20% più velocemente.

Nel corso del 2019, la società francese Carbios aveva rivelato un enzima diverso, originariamente scoperto in un cumulo di foglie di composto, che degrada il 90% delle bottiglie di plastica entro 10 ore, ma che richiede un riscaldamento oltre i 70 ° C.

Ora, il nuovo articolo pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (2020), ha analizzato come questo corto collegamento tra i due enzimi abbia innalzato i livelli di attività catalitica nei confronti del PET. I batteri che scompongono i polimeri naturali come la cellulosa hanno sviluppato questo duplice approccio nel corso di milioni di anni, perciò gli scienziati hanno pensato che collegando i due enzimi la velocità di degradazione sarebbe aumentata e avrebbe così consentito loro di lavorare in modo più efficace.

Il superenzima collegato è impossibile da creare per un batterio, poiché la molecola risulta troppo grande. Tramite lo studio delle molecole (cristallografia a raggi x) si è potuto costruire una sequenza di amminoacidi che unisse da una parte l’enzima PETase e dall’altra l’enzima MHETase e hanno visto un’ulteriore triplicazione della velocità.

D: comparazione strutturale tra MHETase e PETase tramite software che comparano la struttura emersa dalla cristallografia a raggi X in base alle regioni di similarità. E: comparazione strutturale evidenziate struttura esterna, forma e distribuzione del potenziale elettrostatico
breve sequenza amminoacidica costruita per unire i due enzimi, la variante più efficacie si è dimostrata quella con 12 aminoacidi: MP12
adesso ci concentriamo sul processo chimico:

Come già detto, il pet è un poliestere difficilmente idrolizzabile, ma se ridotto in minimi termini, alla materia grezza iniziale (PTA, acido purificato tereftalato, o al DMT, dimetilene tereftalato, e EG, mono-glicoletilenico) si può riciclare completamente senza perdere qualità (i procedimenti chimici sono molto costosi mentre i procedimenti meccanici portano ad un calo della qualità del PET)

Una delle ipotesi più studiate al momento sarebbe quella di far esprime il nostro super enzima in una cellula più grande di quella di un batterio (il nuovo complesso enzimatico è difficilmente realizzabile da una cellula batterica per via delle sue dimensioni ) come ad esempio quella di un lievito o fungo, in grado di secernere questi enzimi (come fa idonella s.) a questo punto si innescano le reazioni sotto riportate:

Digestione microbica del PET: la PETase, converte il PET in acido mono (2-idrossietil) tereftalico (MHET), con quantità minime di acido tereftalico (TPA) e bis (2-idrossietil) -TPA come prodotti secondari . Un altro enzima, MHETasi (enzima di digestione MHET), idrolizza ulteriormente MHET nei due monomeri, TPA e EG

Al termine della reazione avremo quindi una miscela di monomeri più o meno utili: come già detto TPA e EG sono i mattoni di base per la realizzazione del PET e quindi potrebbero essere usati per formare nuovi oggetti in PET (senza perdere qualità), mentre una piccola parte di essi e degli atri composti formatosi diventerebbero fonte di carbonio ed energia per metabolismo e crescita dei nostri organismi

schema generale di una digestione microbica di materiali plastici

In questo modo otterremo un processo chimico che può avvenire a temperatura ambiente in modo praticamente continuo e autoalimentante, tuttavia ci sono diverse problematiche che impediscono , per ora, l’attuazione di questo processo produttivo:

  • il complesso enzimatico che da risultati efficenti (PETase+METase legati ) è, per ora, solo riproducibile solo in laboratorio (si sta studiando come far esprimere il collegamento amminoacidico nei lieviti visto che i batteri non sono in grado), e la produzione di grandi quantità attualmente non risulta possibile.
  • con questa limitazione pensare di degradare grandi quantità di plastiche con enzimi creati in laboratorio (e non da microrganismi) è oggettivamente antieconomico.
  • utilizzando gli enzimi nella loro forma classica (senza il link) è necessaria un elevata temperatura che rende il processo altamente costoso e molto più lento (rispetto agli enzimi linkati in condizioni uguali di temperatura)
Sono necessari ulteriori studi ma, passo dopo passo, articolo dopo articolo, ci stiamo avvicinando sempre di più allo sviluppo di una tecnologia che ci permetterà di riciclare completamente o quasi il PET ma non solo!
Sono allo studio infatti diverse possibilità per diversi materiali. STAY TUNED!

referenze

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system for plastics depolymerization
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Microbial and Enzymatic
Degradation of Synthetic Plastics
Nisha Mohanan, Zahra Montazer, Parveen K. Sharma and David B. Levin
Department of Biosystems Engineering, University of Manitoba, Winnipeg, MB, Canada, Faculty of Food Engineering,
The Educational Complex of Agriculture and Animal Science, Torbat-e-jam, Iran

An engineered PET depolymerase to break down and
recycle plastic bottles
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Kamionka, M.-L. Desrousseaux, H. Texier, S. Gavalda, et al.

Structure of the plastic-degrading Ideonella
sakaiensis MHETase bound to a substrate
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Miriam C. Walczak2, Leona Berndt1, Manfred S. Weiss3, Uwe T. Bornscheuer 2 & Gert Weber 1,4

S. Yoshida et al., A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate).
Science 351, 1196–1199 (2016).

Microbial Degradation and
Valorization of Plastic Wastes
Jiakang Ru1, Yixin Huo1,2 and Yu Yang1*
1 Department of Biology, School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing, China, 2 Key Laboratory of Molecular
Medicine and Biotherapy, Beijing Institute of Technology, Beijing, China

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