PETasi e MHETasi: le armi segrete batteriche per la biodegradazione della plastica

Era marzo del 2016 quando uno studio ad alto impatto intitolato “A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)” e pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica Science faceva il giro del mondo.

In questo studio si descriveva la rivoluzionaria capacità della specie batterica Ideonella sakaiensis 201-F6 (Fig. 1) di degradare una delle plastiche sintetiche più utilizzate (e allo stesso tempo più inquinanti) al mondo: il polietilentereftalato (PET).

**Figura 1 – Fotografia ottenuta mediante microscopio elettronico a scansione (SEM) di cellule batteriche di *Ideonella sakaiensis* 201-F6.**

Il PET è un polimero termoplastico utilizzato per produrre fibre sintetiche e contenitori per cibi e bevande, data la sua compatibilità con gli alimenti. Da un punto di vista chimico si tratta di un poliestere ottenuto attraverso uno dei seguenti processi: 1) esterificazione tra acido tereftalico e glicole etilenico (con formazione di acqua), attivata termicamente (230-250 °C e pressione di 3 atm); 2) transesterificazione tra glicole etilenico e dimetiltereftalato (con formazione di metanolo).

Le notevoli proprietà antiusura e la resistenza al degrado naturale conferiscono un tempo di degradazione di 100 anni ai prodotti in PET che, quindi, rappresentano un serio rischio per la flora e la fauna degli ambienti terrestri e, soprattutto, degli ambienti marini se non viene effettuato un corretto processo di riciclaggio.

Fortunatamente il batterio I. sakaiensis è in grado di utilizzare il PET come substrato carbonioso per la produzione di energia ed è in grado di “mangiare” completamente una pellicola sottile di PET dopo sole 6 settimane, ad una temperatura di 30 °C.

Nel 2016 era noto che tale attività catabolica fosse catalizzata principalmente da due enzimi chiave identificati dai geni ISF6_4831 e ISF6_0224.

Ad oggi è noto che il primo gene codifica per l’enzima PET idrolasi (PETase) (Fig. 2) mentre il secondo codifica per l’enzima mono (2-idrossietil) tereftalato (MHET) idrolasi (MHETase).

**Figura 2 – Modello 3D della struttura dell’enzima PETasi.**

Dopo la scoperta di questo batterio, molti laboratori di tutto il mondo hanno avviato delle ricerche per la caratterizzazione di questi enzimi chiave per la biodegradazione del PET. L’obiettivo iniziale, infatti, era risalire alla struttura tridimensionale di queste proteine al fine di identificare gli amminoacidi coinvolti nel sito catalitico e decifrare i meccanismi chimici alla base della reazione di idrolisi del PET nei suoi costituenti monomerici.

Nell’aprile del 2018, dopo due anni dalla scoperta del batterio, da una collaborazione scientifica tra l’Università britannica di Portsmouth e il Laboratorio Nazionale per le Energie Rinnovabili (NREL) del Dipartimento per l’Energia degli Stati Uniti, è stata ottenuta la struttura dell’enzima PETasi mentre nell’aprile 2019 è stato pubblicato sulla rivista Nature lo studio sulla struttura del secondo enzima chiave, la MHETasi.

I ricercatori hanno inoltre fatto luce sul metabolismo del batterio Ideonella sakaiensis 201-F6 (Fig. 3). Ad entrare in azione per primo è l’enzima PETasi in grado di idrolizzare il poliestere in mono (2-idrossietil) tereftalato (MHET) e bis (2-idrossietil) tereftalato (MHET). Dopodiché l’enzima MHETasi idrolizza il MHET in glicole etilenico e acido tereftalico, ossia i due monomeri di base del PET.

**Figura 3 – Rappresentazione delle reazioni chimiche di idrolisi del PET catalizzate dagli enzimi PETasi e MHETasi.**

Ad oggi, la conoscenza dei due enzimi e del loro meccanismo di azione apre tutta una serie di studi scientifici volti in primis alla loro produzione e purificazione, ed in secondo luogo alla loro riprogettazione (attraverso modifiche geniche dei batteri) per incrementare la loro efficienza idrolitica. Questi enzimi presentano potenzialità enormi in tecnologie e processi nel settore del biorisanamento ambientale e nel settore dell’economia circolare e in un futuro non troppo lontano potrebbero rappresentare l’arma segreta contro l’inquinamento ambientale da plastiche non biodegradabili presente su scala globale.

Sitografia

Bibliografia

Gottfried J. Palm, Lukas Reisky, Dominique Böttcher, Henrik Müller, Emil A. P. Michels, Miriam C. Walczak, Leona Berndt, Manfred S. Weiss, Uwe T. Bornscheuer & Gert Weber. Structure of the plastic-degrading Ideonella sakaiensis MHETase bound to a substrate. Nature Communications, volume 10, Article number: 1717 (2019).
Shosuke Yoshida, Kazumi Hiraga, Toshihiko Takehana, Ikuo Taniguchi, Hironao Yamaji, Yasuhito Maeda, Kiyotsuna Toyohara, Kenji Miyamoto, Yoshiharu Kimura, Kohei Oda. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science, Vol. 351, Issue 6278, pp. 1196-1199 (2016). DOI: 10.1126/science.aad6359.
Austin HP, Allen MD, Donohoe BS, Rorrer NA, Kearns FL, Silveira RL, Pollard BC, Dominick G, Duman R, El Omari K, Mykhaylyk V, Wagner A, Michener WE, Amore A, Skaf MS, Crowley MF, Thorne AW, Johnson CW, Woodcock HL, McGeehan JE, Beckham GT. Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase. Proc Natl Acad Sci USA, 115(19):E4350-E4357 (2018). DOI: 10.1073/pnas.1718804115. Epub 2018 Apr 17

Crediti immagini

http://www.ansa.it/canale_scienza_tecnica/notizie/tecnologie/2019/04/14/trovate-le-forbici-molecolari-per-distruggere-la-plastica-_342a015c-e706-4dcb-9c55-bb7a9fdc4ed7.html
http://www.sci-news.com/biology/ideonella-sakaiensis-bacterium-can-break-down-metabolize-plastic-03693.html
Austin HP, Allen MD, Donohoe BS, Rorrer NA, Kearns FL, Silveira RL, Pollard BC, Dominick G, Duman R, El Omari K, Mykhaylyk V, Wagner A, Michener WE, Amore A, Skaf MS, Crowley MF, Thorne AW, Johnson CW, Woodcock HL, McGeehan JE, Beckham GT. Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase. Proc Natl Acad Sci USA, 115(19):E4350-E4357 (2018). DOI: 10.1073/pnas.1718804115. Epub 2018 Apr 1