Entendiendo la tecnología de reciclaje enzimático: ¿Pueden las superenzimas que devoran plástico resolver la crisis del plástico?

Cada año, aproximadamente 150 millones de toneladas de plástico terminan en vertederos o se liberan al medio ambiente, y más de 8 millones de toneladas acaban en los océanos a través de los ríos. La mayor parte de este plástico no se descompone por completo, sino que se descompone en microplásticos. Estos microplásticos no solo se encuentran en el agua de mar, sino que también son ingeridos por la vida marina e incluso entran en el sistema digestivo humano. La contaminación por plástico se ha convertido en uno de los problemas ambientales más graves a los que se enfrenta la humanidad, y los investigadores están trabajando incansablemente para encontrar soluciones a este acuciante problema.

Descripción general de la ingeniería enzimática

Al entrar en el siglo XXI, la humanidad ha avanzado desde la comprensión fundamental de la vida del siglo XX, pasando a la era posgenómica. Esta era se centra en explorar el núcleo de los fenómenos de la vida mediante el examen de la estructura y la función de los genomas y sus productos proteínicos, integrando todo el conocimiento biológico para establecer un marco unificado de biología general.

La ingeniería enzimática, un componente crucial de la biotecnología, implica el uso de enzimas como catalizadores dentro de biorreactores específicos para facilitar la transformación de materiales. Sus aplicaciones abarcan diversos campos, entre ellos la industria, la medicina, la agricultura, el análisis químico, la protección del medio ambiente, el desarrollo energético y las ciencias biológicas teóricas.

En el control de la contaminación, la tecnología enzimática ha demostrado ser vital. La peroxidasa de rábano picante cataliza la oxidación de compuestos aromáticos tóxicos en presencia de peróxido de hidrógeno, formando precipitados insolubles. La peroxidasa de lignina degrada los compuestos aromáticos y oxida los hidrocarburos aromáticos policíclicos. La lacasa elimina los fenoles tóxicos y las lipasas microbianas se utilizan para la biorremediación de derrames de petróleo y desechos que contienen lípidos.

Mientras tanto, la industria de la ingeniería enzimática ha experimentado un rápido crecimiento. En 1998, las ventas mundiales de enzimas industriales alcanzaron los 1.600 millones de dólares, y las proyecciones indican que para 2008, las ventas ascenderían a 3.000 millones de dólares.

El amanecer del reciclaje de PET basado en enzimas: degradación dual por bacterias del suelo

Los plásticos están compuestos por polímeros de cadena larga, que se clasifican principalmente en termoplásticos y plásticos termoendurecibles. Los termoplásticos se ablandan a altas temperaturas y se endurecen al enfriarse, lo que los hace reciclables, aunque su calidad disminuye con el reciclaje. Los plásticos termoendurecibles, una vez calentados y curados, son casi imposibles de reciclar.

El tereftalato de polietileno (PET) es un termoplástico ampliamente utilizado elaborado a partir de ácido tereftálico derivado del petróleo (TPA) y etilenglicol (EG). La producción mundial de PET aumentó de aproximadamente 58 millones de toneladas en 2021 a 62 millones de toneladas en 2023, con proyecciones que alcanzarán los 72 millones de toneladas para 2025. La versatilidad del PET permite fabricarlo en materiales transparentes, opacos o blancos según su estructura cristalina y tamaño de partícula. Se utiliza comúnmente para producir fibras de ropa y contenedores, como botellas de agua, y también se puede moldear en diversos productos de envasado como blísters.

El desarrollo de tecnologías eficientes de despolimerización de PET es un hito fundamental para lograr un verdadero reciclado de plástico y avanzar en la protección del medio ambiente. La biodegradación del PET ha recibido una atención significativa debido a la presencia de varias esterasas en la naturaleza que pueden descomponer los ésteres en ácidos y alcoholes.

En 2012, investigadores de la Universidad de Osaka en Japón descubrieron una enzima que degrada el PET en el compost, conocida como cutinasa de la hoja de compost (LLC). Aunque la LLC puede alterar los enlaces químicos del PET, es inestable a 65 °C y se degrada en cuestión de días, lo que limita su aplicación industrial. Para que la despolimerización del PET sea eficaz, es necesario que las enzimas permanezcan estables a altas temperaturas.

En 2016, Yoshida y sus colegas identificaron una bacteria del suelo, Ideonella sakaiensis 201-F6, a partir de sedimentos contaminados con PET cerca de una planta de reciclaje de plástico en Japón. I. sakaiensis es una bacteria aeróbica Gram-negativa capaz de utilizar PET como su principal fuente de carbono y energía. Emplea un sistema de doble enzima para degradar PET: la PETasa hidroliza PET en BHET, MHET y TPA, y posteriormente, la MHETasa convierte MHET en TPA y EG, logrando una degradación completa de PET.

Avances recientes en la degradación enzimática del PET

Degradación mejorada con mutantes PETasa

Investigaciones recientes han demostrado que los mutantes de PETasa muestran capacidades de degradación de PET significativamente mejoradas. Se ha demostrado mediante análisis de la estructura cristalina y pruebas bioquímicas que la PETasa, estructuralmente similar a la cutinasa que descompone la cutina, posee un sitio activo abierto y sigue el mecanismo catalítico de las serina hidrolasas. Los científicos han diseñado un mutante doble de PETasa, que muestra una actividad de degradación de PET notablemente mejorada en el centro catalítico. A diferencia de la PETasa de tipo salvaje, que requiere cientos de años para degradar el PET en entornos naturales, este mutante puede descomponer el plástico en cuestión de días.

Mejora de la eficiencia con sistemas de doble enzima

Los estudios indican que la adición de MHETasa a la reacción aumenta significativamente las tasas de degradación del PET, y las mezclas de enzimas degradan el PET dos veces más rápido que la PETasa sola. Los experimentos han demostrado que el aumento de las concentraciones de PETasa y MHETasa mejora significativamente las tasas de degradación del PET, lo que sugiere que la reacción está limitada por la concentración de enzimas en lugar del sustrato. Los análisis de efectos sinérgicos revelan además que la presencia de MHETasa mejora notablemente las tasas de degradación generales incluso a concentraciones más bajas de PETasa. La proporción óptima de PETasa a MHETasa aún no se ha determinado.

La innovación de las superenzimas triplica la velocidad de degradación

En experimentos recientes, los investigadores desarrollaron una "superenzima" fusionando MHETasa y PETasa en una única proteína quimérica de cadena larga. Esta superenzima supera tanto a la PETasa como a la MHETasa individuales en la degradación del PET y puede degradar eficazmente el furanoato de polietileno (PEF), un bioplástico utilizado para las botellas de cerveza. El rendimiento superior de la proteína quimérica ha triplicado la tasa de degradación del PET y el PEF, convirtiéndolos en monómeros en cuestión de días. Esta innovación promete un reciclaje y una reutilización ilimitados de los plásticos, reduciendo la dependencia de los recursos fósiles.

Además, en 2020 se produjo un gran avance que permitió descubrir una nueva enzima capaz de degradar eficazmente el PET en tan solo 10 horas. Los investigadores analizaron diversas bacterias y enzimas, incluida la cutinasa de la rama de la hoja del compost (LLC), descubierta en 2012, lo que dio como resultado cientos de mutantes de hidrolasa de PET. Un mutante seleccionado demostró una eficiencia de degradación del PET 10.000 veces superior a la de la LLC natural y se mantuvo estable a 72 °C, cerca de la temperatura de fusión del PET. Este avance sienta las bases para un reciclaje infinito del PET y actualmente se encuentra en la etapa de producción piloto.

Perspectivas de comercialización del reciclaje basado en enzimas

En la naturaleza, los microorganismos degradan de manera eficiente polímeros naturales como la celulosa y la quitina a través de sistemas enzimáticos sinérgicos que han evolucionado con el tiempo para optimizar la degradación. Algunas bacterias del suelo, como Ideonella sakaiensis, presentan rasgos evolutivos similares y pueden procesar sustratos de poliéster utilizando un sistema de doble enzima. Sin embargo, la comercialización de esta tecnología de superenzimas aún enfrenta varios desafíos.

Wankai New Materials Co., Ltd., una empresa líder en la industria del PET para botellas, se encuentra a la vanguardia de la producción mundial. La empresa no solo está comprometida con la fabricación ecológica, sino que también está expandiendo activamente su negocio de reciclaje de PET. Su empresa matriz, Zhink Group, ha firmado una asociación estratégica a largo plazo con la francesa  CARBIOS aprovechará su tecnología avanzada de degradación enzimática. Esta colaboración tiene como objetivo establecer la primera instalación de biorreciclaje de PET a escala industrial de China con una capacidad de 50.000 toneladas por año. Se espera que esta iniciativa mejore significativamente la competitividad de Wankai en materia de sostenibilidad e impulse la comercialización de tecnologías de reciclaje basadas en enzimas.

Conclusión

Los microorganismos y sus enzimas ofrecen nuevas posibilidades para el reciclaje de plástico, pero nuestra comprensión de estos procesos aún está en sus primeras etapas. Dado que los plásticos se derivan principalmente de combustibles fósiles y el problema de la contaminación ambiental se agrava, es fundamental encontrar soluciones efectivas. La clave para resolver este problema radica en aumentar la reducción de los plásticos a sus componentes monómeros. Afortunadamente, la sabiduría evolutiva de la naturaleza y la innovación científica brindan nuevas esperanzas, que podrían servir como avances para abordar la contaminación plástica.