Gli enzimi presenti in natura possono scomporre alcune plastiche, ma non abbastanza per sostenere il riciclaggio industriale e arginare la piaga dei rifiuti di plastica. Basandosi su ciò che la natura ha fornito, i ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute hanno migliorato l'efficienza di una cutinasi composta da foglie e rami che scompone il polietilene tereftalato (PET), la plastica utilizzata nelle bottiglie d'acqua di plastica trasparente e colorata e in molti altri prodotti. I ricercatori ritengono che l'enzima possa essere ulteriormente raffinato, offrendo un candidato promettente per alimentare il riciclaggio illimitato di PET e possibilmente di altre materie plastiche come l'acetato di cellulosa.

In un lavoro recentemente pubblicato sulla rivista Biochimica , i ricercatori hanno utilizzato cellule di lievito per esprimere la cutinasi composta da foglie e rami (LCC) modificata dall'aggiunta di molecole di zucchero – o glicani – in due posizioni. L'enzima modificato "glicosilato" ha mantenuto almeno la metà della sua attività dopo 48 ore a 75 gradi Celsius, rispetto a un'emivita precedentemente riportata di 40 minuti per l'enzima non modificato a 70 gradi Celsius.

"Abbiamo bisogno di materie plastiche e altri materiali che mantengano buone prestazioni e, dopo l'uso, possono quindi essere scomposti da processi sicuri e delicati ai loro elementi costitutivi originali per il riutilizzo, " ha detto Richard Gross, autore principale della ricerca, Costellazione Professore di Biocatalisi e Ingegneria Metabolica, membro del Centro per le biotecnologie e gli studi interdisciplinari, e Professore di Chimica e Biologia Chimica a Rensselaer. "L'obiettivo dovrebbe essere zero sprechi e per farlo, dobbiamo integrare il riutilizzo nella progettazione di un'ampia gamma di polimeri e materiali. Questo è un passo incoraggiante verso questo obiettivo".

"Questo promettente progresso, che è assolutamente necessario poiché l'inquinamento da plastica diventa una minaccia sempre maggiore per il nostro ambiente, è il risultato del diverso set di competenze e dell'ambiente collaborativo che abbiamo costruito a Rensselaer ", ha affermato Deepak Vashishth, direttore del Centro per le biotecnologie e gli studi interdisciplinari. "La ricerca del Dr. Gross valica i confini tra i prodotti biologici e la bioproduzione, ed è certo di aiutarci a risolvere i problemi critici che dobbiamo affrontare."

Con le tecnologie esistenti, una bottiglia di plastica non è tanto riciclata quanto riciclata. Dopo un singolo utilizzo, un'alta percentuale di bottiglie in PET va direttamente in discarica o viene riutilizzata come altre plastiche come fibre di PET e pile per i vestiti, tappeto, borse, Arredamento, e materiali di imballaggio. Infine, il PET riciclato si fa strada nelle discariche o in altri ambienti indesiderati come oceani e laghi, un destino di cui molti consumatori non sono consapevoli mentre gettano le loro bottiglie d'acqua in un cestino per il riciclaggio.

Scomporre il PET nei suoi elementi costitutivi – acido tereftalico e glicole etilenico – consentirebbe il riutilizzo illimitato più comunemente associato ad altri materiali riciclabili come vetro e metallo. Alcuni enzimi naturali possono scomporre il PET, ma non entro i vincoli di tempo e temperatura richiesti da un processo di riciclaggio industriale. Molti enzimi perdono la loro attività a temperature più elevate, ed eventualmente denaturare. Un enzima idoneo al riciclo industriale deve poter operare alla temperatura ottimale per scomporre il PET, che è di circa 75 gradi Celsius, e deve mantenere la sua attività abbastanza a lungo da svolgere il suo lavoro in modo conveniente a quella temperatura.

LCC è stato inizialmente scoperto attraverso l'analisi metagenomica di un compost di rami di foglie, il che significa che gli scienziati hanno estratto il DNA trovato in un compost indipendentemente dagli organismi che lo hanno prodotto, e poi ha usato il DNA per esprimere e catalogare gli enzimi che erano presenti. Uno studio del 2012 pubblicato da ricercatori indipendenti sulla rivista Microbiologia applicata e ambientale ha mostrato che LCC era in grado di idrolizzare, o abbattere, ANIMALE DOMESTICO, ma ha perso rapidamente l'attività a temperature più elevate. Ciò attirò l'attenzione di Gross, esperto di metodi biocatalitici e di sintesi chimica, che vide l'opportunità di migliorare la "stabilità cinetica" dell'enzima senza danneggiare la sua capacità di scomporre il PET.

Il laboratorio ha studiato l'enzima e ha trovato tre siti di glicosilazione separati, sequenze di amminoacidi a cui i glicani sono attaccati durante la sintesi proteica. Gross ha affermato che i siti di glicosilazione potrebbero essersi evoluti in un organismo precedente ed essere stati conservati anche se non sono stati utilizzati dal batterio naturale che originariamente ha prodotto questa proteina. Indipendentemente, quando il team ha espresso l'enzima utilizzando il ceppo di lievito Pichia pastoris, hanno scoperto che il lievito glicosilava naturalmente l'enzima nei tre siti. Ulteriori ricerche hanno mostrato che due siti di glicosilazione hanno prodotto un enzima più efficace di tre siti.

Con solo quelle piccole modifiche, il team ha visto un miglioramento di oltre 60 volte nella stabilità cinetica. E Gross ha affermato che ulteriori ricerche esploreranno come migliorare ulteriormente la cinetica e l'attività complessiva dell'enzima sperimentando sequenze di amminoacidi per creare strutture varianti. Attraverso questo lavoro, Gross si aspetta di comprendere le regole di progettazione che portano a prestazioni migliori.

"Questa cutinasi è un ottimo candidato per la commercializzazione, ma questo lavoro ci aiuterà anche a riprogettare altre cutinasi per abbattere altri polimeri, e questo è un gioco finale molto più ampio, " ha detto Grosso.

"Stabilizing Leaf and Branch Compost Cutinase (LCC) with Glycosylation:Mechanism and Effect on PET Hydrolysis" è stato pubblicato in Biochimica .