La quantità di plastica di un camion della spazzatura si scarica nell'oceano ogni minuto. In tutto il mondo, l'umanità produce oltre 300 milioni di tonnellate di plastica ogni anno, si prevede che molti dei quali dureranno da secoli a millenni e inquinano sia gli ambienti acquatici che quelli terrestri. plastica dell'ANIMALE DOMESTICO, abbreviazione di polietilene tereftalato, è la quarta plastica più prodotta e viene utilizzata per realizzare oggetti come bottiglie per bevande e tappeti, quest'ultimo sostanzialmente non viene riciclato. Alcuni scienziati sperano di cambiarlo, utilizzando i supercomputer per progettare un enzima che scompone il PET. Dicono che sia un passo avanti su una lunga strada verso il riciclaggio del PET e di altre plastiche in materiali di valore commerciale su scala industriale.

"Stiamo idealmente passando da un luogo in cui la plastica è difficile da riciclare a un luogo in cui utilizziamo la natura e milioni di anni di evoluzione per dirigere le cose in un modo che renda la plastica facile da riciclare, " ha detto Lee Woodcock, Professore Associato di Chimica presso la University of South Florida. Woodcock è coautore di uno studio che ha studiato la struttura di un enzima per degradare il PET ed è stato pubblicato nel marzo del 2018 nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Lo studio si basa su una scoperta nel 2016 di Yoshida et al. di un batterio, Ideonella sakaiensis 201-F6, che si nutre di plastica PET come fonte di carbonio ed energia. Il PNAS gli autori dello studio si sono concentrati sull'enzima che degrada la plastica dei batteri, chiamato PETasi. I membri del team presso l'Università di Portsmouth, guidato dal professor John McGeehan, ha utilizzato la cristallografia a raggi X presso la Diamond Light Source nel Regno Unito per risolvere la struttura cristallina ad alta risoluzione della PETase.

"Abbiamo quindi utilizzato simulazioni al computer per capire come un ligando polimerico come il PET sarebbe stato in grado di legarsi all'enzima, ", ha affermato il coautore dello studio Gregg Beckham, Senior Research Fellow e Group Leader presso il National Renewable Energy Laboratory (NREL) degli Stati Uniti. "Abbiamo anche condotto un lavoro sperimentale per dimostrare che in effetti, il PETase può abbattere bottiglie di acqua o soda, film in PET di rilevanza industriale, e un'altra plastica, furanoato di polietilene."

Dopo aver svolto questo lavoro sulla struttura e sulla funzione dell'enzima PETase, gli autori hanno poi cercato di capirne l'evoluzione e hanno cercato un enzima simile, una famiglia di cutinasi, che degradano la cutina polimerica cerosa che si trova sulla superficie delle piante.

"Abbiamo sviluppato l'ipotesi che se rendiamo l'enzima PETasi più simile a una cutinasi, allora dovremmo peggiorare l'enzima. Quando abbiamo fatto questo lavoro, infatti abbiamo finito per rendere l'enzima leggermente migliore così facendo, " disse Woodcock.

"È stato incredibilmente sorprendente per noi, " ha spiegato Beckham. "Quando l'abbiamo reso più simile alla cutinasi, l'enzima è stato leggermente migliorato. Questo è in realtà uno degli aspetti chiave di dove è entrato in gioco il calcolo, perché ci ha permesso essenzialmente di prevedere o suggerire interazioni aromatico-aromatiche nell'enzima con il poliestere aromatico PET potrebbe essere potenzialmente responsabile della sua migliore attività. Ma è stata una vera sorpresa per noi, " ha detto Beckham.

I supercomputer hanno permesso loro di affrontare domande scientifiche difficili su PETase, come i dettagli di come interagisce su scala molecolare legata a un substrato, qualcosa che va oltre lo scopo di ciò che potrebbe essere determinato conoscendo la sua struttura cristallina.

I ricercatori hanno approfittato di questo studio sulle risorse computazionali di XSEDE, l'ambiente estremo di scoperta della scienza e dell'ingegneria, finanziato dalla National Science Foundation.

"Avere accesso alle risorse XSEDE apre davvero la possibilità di poter modellare e poter studiare quale tipo di conformazione su larga scala o addirittura locale, piccoli cambiamenti strutturali si verificano in funzione sia del legame al substrato sia, inoltre, quali sono i cambiamenti strutturali su larga scala o locali, cambiamenti strutturali su piccola scala che si verificano nell'enzima dopo aver effettuato le mutazioni. Questa era una parte importante di ciò che stavamo guardando, " disse Woodcock.

Woodcock ha spiegato che hanno simulato i lunghi tempi dell'enzima utilizzando il campo di forza di Chemistry at Harvard Macromolecular Mechanics (CHARMM) e il programma stesso, così come il software Nanoscale Molecular Dynamics (NAMD).

XSEDE ha assegnato a Gregg Beckham le allocazioni sui sistemi Stampede1 e Stampede2 presso il Texas Advanced Computing Center (TACC) e sul sistema Comet presso il San Diego Supercomputer Center (SDSC).

"La nostra esperienza fino ad oggi su Stampede2 è stata assolutamente meravigliosa, "Beckham ha detto. "Per tutti i codici lì che usiamo, è stata una macchina fantastica. Superiamo le code velocemente. Stiamo producendo un sacco di grande scienza attraverso lo spettro di ciò che i nostri gruppi stanno facendo insieme usando Stampede2 in questo momento. Certamente, per la ricerca sull'enzima di degradazione della plastica, lo stiamo usando per manoscritti e studi che andranno avanti sullo stesso argomento."

"Una cosa bella di Comet, " Woodcock ha detto, "è che hai, per i lavori che devi svolgere in modo ad alta produttività, SDSC ha una coda condivisa, che ti consente di inviare lavori molto più piccoli ma con un rendimento molto elevato, in quanto possono condividere i core sui nodi di Comet. Questo è stato particolarmente utile."

Entrambi i ricercatori hanno convenuto che il calcolo aiuta a fare scoperte scientifiche. "Sperimentalisti e scienziati computazionali lavorano fianco a fianco sempre più frequentemente, " ha detto Woodcock. "E senza accesso a risorse come questa, questo ci farebbe davvero fare un passo indietro, o più passi indietro nel produrre i più alti livelli di scienza ed essere davvero in grado di affrontare i problemi più impegnativi del mondo, che è quello che abbiamo fatto in questo particolare studio, fatto collaborando con gruppi sperimentali di alto livello come i nostri collaboratori nel Regno Unito e con noi qui negli Stati Uniti".

Beckham ha affermato che il loro lavoro è appena iniziato sugli enzimi che ripuliscono l'inquinamento da plastica. "Stiamo appena iniziando a capire come si è evoluto questo enzima, "Ha detto Beckham. Vuole usare il calcolo per sfruttare i grandi database di genomica e metagenomica sugli enzimi per trovare gli aghi nel pagliaio che possono degradare la plastica.

"Anche l'altra cosa che ci interessa, "Beckham ha detto, "è se siamo in grado di farlo a una temperatura molto più alta, che sarebbe in grado di accelerare la degradazione del PET e portarci in ambiti che potrebbero essere potenzialmente rilevanti a livello industriale in termini di utilizzo di un enzima per degradare il PET e quindi convertirlo in materiali di valore più elevato, che potrebbero incentivare tassi di bonifica più elevati, soprattutto nei paesi in via di sviluppo, dove molti rifiuti di plastica finiscono nell'oceano".

Lee Woodcock vede le nuove tecniche computazionali come un punto di svolta nella modellazione di campi di forza non simili ai farmaci che affrontano le interazioni polimeriche in modo più realistico di quanto possano fare oggi CHARMM e NAMD. "Sto lavorando con i colleghi di NREL per assicurarci di poter migliorare i campi di forza in modo molto rapido, in modo che se qualcuno entra e dice che dobbiamo guardare questo polimero dopo, confidiamo di poter mettere insieme una strategia di modellazione in un lasso di tempo molto breve per ottenere una rapida inversione di tendenza quando dobbiamo modellare molti polimeri diversi.

Gli scienziati sperano che il loro lavoro un giorno renderà il mondo al di fuori del laboratorio un posto migliore. "Capire come possiamo progettare meglio i processi per riciclare la plastica e recuperarla è un terribile problema globale ed è qualcosa per cui la comunità scientifica e ingegneristica deve trovare soluzioni, " ha detto Beckham.

Lo studio, "Caratterizzazione e ingegnerizzazione di una poliesteriasi aromatica che degrada la plastica, " è stato pubblicato nel marzo 2018 in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Gli autori sono Harry P. Austin, Mark D. Allen, Alan W. Thorne, John E. McGeehan dell'Università di Portsmouth; Bryon S. Donohoe, Rodrigo L. Silveira, Michael F. Crowley, Antonella Amore, Nicholas A. Rorrer, Graham Domenico, William E.Michener, Christopher W. Johnson, Gregg T. Beckham del National Renewable Energy Laboratory; Fiona L. Kearns, Benjamin C. Pollard, H. Lee Woodcock della University of South Florida; Munir S. Skaf dell'Università di Campinas; Ramona Duman, Kamel El Omari, Vitaliy Mykhaylyk, Armin Wagner della fonte di luce del diamante, Harwell Science and Innovation Campus. Il programma di ricerca e sviluppo diretto dal National Renewable Energy Laboratory ha finanziato lo studio, con il tempo del computer fornito dall'allocazione MCB-090159 di Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).