Dall’Italia un nuovo biocatalizzatore in grado di degradare la plastica

Dalla Protein Factory 2.0 il nuovo biocatalizzatore

La maggior parte delle plastiche moderne viene prodotta a partire da sostanze chimiche di origine fossile. Poiché la struttura chimica della maggior parte delle materie plastiche le rende durevoli, esse sono resistenti a molti processi di degradazione naturale (biodegradazione). Infatti, gran parte delle plastiche non biodegradabili può persistere negli ambienti per diversi secoli causando gravissimi danni ambientali (Fig. 1).

Fotografia di una spiaggia inquinata da rifiuti plastici.
Figura 1 – Fotografia di una spiaggia inquinata da rifiuti plastici.

Le biotecnologie ambientali hanno lo scopo di fornire nuovi strumenti e nuove soluzioni per risolvere gli attuali problemi ecologici. Uno degli obiettivi fondamentali della ricerca scientifica è quello di eliminare e recuperare i materiali inquinanti, tra cui la plastica non biodegradabile.

In Italia, i ricercatori del laboratorio “The Protein Factory 2.0” dell’Università dell’Insubria, guidati dai Professori Gianluca Molla e Loredano Pollegioni, hanno recentemente prodotto un biocatalizzatore (enzima) in grado di degradare il polietilene tereftalato (PET), ossia una delle plastiche di origine fossile maggiormente usate, nei suoi componenti monomerici di base, non inquinanti.

La realizzazione di questo nuovo biocatalizzatore è stata descritta nell’articolo scientifico dal titolo “An Efficient Protein Evolution Workflow for the Improvement of Bacterial PET Hydrolyzing Enzymes”, pubblicato sulla rivista “International Journal of Molecular Sciences”.

In sintesi, i ricercatori hanno migliorato l’attività idrolitica dell’enzima microbico PETase, già noto per le sue ottime capacità di depolimerizzazione del PET, attraverso un approccio di ingegneria proteica.

L’enzima creato, chiamato TS-ΔIsPET, alla concentrazione di 0.10 mg/mL in acqua e a una temperatura di 50 °C, è in grado di depolimerizzare il 25% circa di microparticelle di PET in 2 giorni e circa l’80% delle nanoparticelle di PET in circa 1 ora di reazione in presenza di una concentrazione inferiore, pari a 0.02 mg/mL.

Il polietilene tereftalato

Il PET è un polimero termoplastico molto 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 una reazione di esterificazione tra acido tereftalico e glicole etilenico con formazione di acqua (Fig. 2), attivata termicamente (230-250 °C e pressione di 3 atm); oppure attraverso una reazione di transesterificazione tra glicole etilenico e dimetiltereftalato (con formazione di metanolo).

Sintesi del PET mediante reazione di esterificazione tra acido tereftalico e glicole etilenico con formazione di acqua.
Figura 2 – Sintesi del PET mediante reazione di esterificazione tra acido tereftalico e glicole etilenico con formazione di acqua.

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 PET è riciclabile al 100% ma non lo è all’infinito ed inoltre non è biodegradabile, per cui è fondamentale evitare la sua dispersione nell’ambiente. Parallelamente, è necessario sviluppare dei processi chimici, biologici o ibridi in grado di depolimerizzare il PET post-consumo, e più in generale tutte le plastiche sintetiche, nelle rispettive unità di base.

Ciò consentirebbe un più facile riutilizzo della materia prima seconda sia all’interno dello stesso processo di produzione del PET sia in altri processi di sintesi in un’ottica di economia circolare e sostenibilità ambientale.

Storia dell’enzima microbico PETase

Nel 2016 uno studio scientifico rivoluzionario dal titolo “A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)”, pubblicato sulla rivista Science, descriveva per la prima volta la capacità della specie batterica Ideonella sakaiensis 201-F6 (Fig. 3) di degradare il PET.

Fotografia al microscopio elettronico a scansione (SEM) di cellule batteriche di Ideonella sakaiensis 201-F6.
Figura 3 – Fotografia al microscopio elettronico a scansione (SEM) di cellule batteriche di Ideonella sakaiensis 201-F6.

Infatti, 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.

Dopo studi approfonditi è stato scoperto che il primo gene codifica per l’enzima PET idrolasi (PETase) mentre il secondo codifica per l’enzima mono (2-idrossietil) tereftalato (MHET) idrolasi (MHETase).

Nell’aprile del 2018, 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 del biocatalizzatore PETase mentre nell’aprile 2019 è stato pubblicato sulla rivista Nature lo studio sulla struttura del secondo biocatalizzatore chiave, la MHETase.

Meccanismo d’azione del biocatalizzatore

I ricercatori hanno inoltre fatto luce sul metabolismo del batterio Ideonella sakaiensis 201-F6 (Fig. 4).

Meccanismo degradativo del PET da parte dei biocatalizzatori PETase e MHETase prodotti dal batterio I. sakaiensis.
Figura 4 – Meccanismo degradativo del PET da parte dei biocatalizzatori PETase e MHETase prodotti dal batterio I. sakaiensis.

Il primo enzima ad entrare in azione è la PETase in grado di idrolizzare il poliestere in mono (2-idrossietil) tereftalato (MHET) e bis (2-idrossietil) tereftalato (BHET). Dopodiché il biocatalizzatore MHETase idrolizza il MHET in glicole etilenico e acido tereftalico, ossia i due monomeri di base del PET.

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 approcci di ingegneria proteica) per incrementare la loro efficienza idrolitica.

Questi biocatalizzatori presentano potenzialità enormi per lo sviluppo di 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 presenti su scala globale.

Il nuovo enzima ingegnerizzato TS-ΔIsPET

In questo contesto, lo studio scientifico realizzato dai ricercatori italiani ha avuto esattamente l’obiettivo di incrementare la capacità idrolitica dell’enzima PETase attraverso un approccio sistematico di ingegneria proteica (Fig. 5).

Rappresentazione schematica dell’approccio sistematico adoperato per l’ingegnerizzazione del biocatalizzatore PETase.
Figura 5 – Rappresentazione schematica dell’approccio sistematico adoperato per l’ingegnerizzazione del biocatalizzatore PETase.

Tale approccio si è basato soprattutto sulla combinazione tra mutagenesi semi-razionale e screening ad alto rendimento delle librerie di varianti basato sull’analisi dell’attività idrolitica delle nanoparticelle di PET.

Utilizzando questo approccio, partendo dalla doppia variante W159H/S238F dell’enzima PETase di Ideonella sakaiensis 201-F6, è stata identificata la variante W159H/F238A-ΔIsPET, che possiede una maggiore attività idrolitica sul PET.

Successivamente, questa variante enzimatica è stata stabilizzata introducendo due sostituzioni note aggiuntive (S121E e D186H) generando la variante TS-ΔIsPET.

Utilizzando questo nuovo biocatalizzatore sono stati ottenuti circa 10.6 mM di prodotti di degradazione in 2 giorni a partire da 9 mg/mL di microparticelle di PET (circa 26% di resa di depolimerizzazione). Inoltre, il nuovo enzima TS-ΔIsPET ha consentito una significativa depolimerizzazione delle nanoparticelle di PET (resa dell’80% circa) in 1.5 ore utilizzando solo 20 μg/mL di enzima.

Il razionale dell’effetto della sostituzione di F238A sui parametri catalitici è stato definito mediante studi di cinetica enzimatica accoppiati ad analisi di dinamica molecolare.

Il protocollo sviluppato dai ricercatori italiani rappresenta un utile e versatile strumento per l’evoluzione di tutti gli enzimi idrolitici del PET.

Infine, questo lavoro dimostra come la degradazione biologica delle plastiche, basata su un processo che non prevede l’uso di solventi e/o reagenti chimici pericolosi per l’uomo e l’ambiente e/o di alte temperature, sia ormai una realtà in grado di eliminare un composto inquinante convertendolo in materie prime seconde ancora utili.

Nicola Di Fidio

Sitografia:

Bibliografia:

  • Pirillo, V., Orlando, M., Tessaro, D., Pollegioni, L., & Molla, G. (2022). An Efficient Protein Evolution Workflow for the Improvement of Bacterial PET Hydrolyzing Enzymes. International Journal of Molecular Sciences, 23(1), 264.
  • 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. (2019). Structure of the plastic-degrading Ideonella sakaiensis MHETase bound to a substrate. Nature Communications, volume 10(1717).
  • Shosuke Yoshida, Kazumi Hiraga, Toshihiko Takehana, Ikuo Taniguchi, Hironao Yamaji, Yasuhito Maeda, Kiyotsuna Toyohara, Kenji Miyamoto, Yoshiharu Kimura, Kohei Oda. (2016). A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science, Vol. 351, Issue 6278, pp. 1196-1199.

Crediti immagini:

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