lovesouthernsocial.com

Descoperirea unui grup internațional de oameni de știință, care include doi brazilieni, poate ajuta la minimizarea poluării cauzate de material.

Un grup internațional de oameni de știință, la care participă doi brazilieni de la Universitatea din Campinas (Unicamp), a reușit să îmbunătățească performanța PETazei, o enzimă capabilă să se hrănească cu polietilen tereftalat, plastic PET. După ce PETaza a fost descoperită într-o nouă specie de bacterii în 2016, grupul de cercetători a lucrat pentru a obține structura enzimei și a înțelege cum funcționează. În acest proces, din întâmplare, au ajuns să creeze o mutație a enzimei care are o afinitate și mai mare pentru PET - adică un potențial mai mare de degradare a plasticului.

Lucrarea are un potențial enorm de utilizare practică, deoarece se estimează că între 4,8 și 12,7 milioane de tone de plastic sunt eliberate în oceane în fiecare an - un număr care este probabil să crească. Plasticele, care se acumulează chiar și pe cele mai îndepărtate plaje de pe planetă, sunt atât de folosite tocmai datorită rezistenței lor la degradare, ceea ce amenință cel mai mult mediul. Când este aruncată, o sticlă PET, de exemplu, poate rămâne în mediu timp de 800 de ani - pe lângă problema în creștere și alarmantă a microplasticelor.

• Înțelegeți impactul asupra mediului al deșeurilor de plastic asupra lanțului alimentar
• Care este originea plasticului care poluează oceanele?

Cu toate acestea, este ușor de înțeles marele interes stârnit de descoperirea unei enzime capabile să digere polietilen tereftalat. Această enzimă, numită PETază, și-a crescut acum capacitatea de a degrada plasticul. Noutatea a fost descrisă într-un articol publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences din Statele Unite ale Americii (PNAS).

La cercetare au participat doi cercetători de la Institutul de Chimie de la Universitatea de Stat din Campinas (IQ-Unicamp), în colaborare cu cercetători din Regatul Unit (Universitatea din Portsmouth) și Statele Unite (National Renewable Energy Laboratory). Ei sunt studentul postdoctoral Rodrigo Leandro Silveira și supervizorul său, profesorul șef și decanul de cercetare la Unicamp Munir Salomão Skaf.

„Folosit în principal la fabricarea sticlelor de băuturi, tereftalatul de polietilenă este utilizat pe scară largă și la fabricarea de haine, covoare și alte obiecte. În cercetarea noastră, am caracterizat structura tridimensională a enzimei capabile să digere acest plastic, l-am proiectat, mărind puterea de degradare a acestuia și am demonstrat că este activ și în polietilen-2,5-furandicarboxilat (PEF), un înlocuitor pentru PET fabricat de din materii prime regenerabile”, a declarat Silveira pentru Agência FAPESP.

Interesul pentru PETase a apărut în 2016, când un grup de cercetători japonezi, condus de Shosuke Yoshida, a identificat o nouă specie de bacterii, Ideonella sakaiensis, capabil să folosească tereftalatul de polietilenă ca sursă de carbon și energie – cu alte cuvinte, capabil să se hrănească cu PET . Este, până în prezent, singurul organism cunoscut cu această capacitate. Literal crește pe PET.

„Pe lângă identificarea Ideonella sakaiensis, japonezii au descoperit că a produs două enzime care sunt secretate în mediu. Una dintre enzimele secretate a fost tocmai PETaza. Deoarece are un anumit grad de cristalinitate, PET este un polimer foarte greu de degradat. Din punct de vedere tehnic, folosim termenul „recalcitrare” pentru a denumi proprietatea pe care anumiți polimeri strânși o au de a rezista la degradare. PET este unul dintre ele. Dar PETaza o atacă și o descompune în unități mici – acid mono(2-hidroxietil) tereftalic (MHET). Unitățile MHET sunt apoi convertite în acid tereftalic [de o a doua enzimă] și absorbite și metabolizate de bacterii”, a spus Silveira.

Toate ființele vii cunoscute folosesc biomolecule pentru a supraviețui. Toate cu excepția Ideonella sakaiensis, care reușește să folosească o moleculă sintetică, fabricată de oameni. Aceasta înseamnă că această bacterie este rezultatul unui proces evolutiv foarte recent care a avut loc în ultimele decenii. A reușit să se adapteze la un polimer care a fost dezvoltat la începutul anilor 1940 și a început să fie utilizat la scară industrială abia în anii 1970. Pentru asta, PETase este piesa cheie.

„PETase face partea cea mai grea, care este ruperea structurii cristaline și depolimerizarea PET-ului în MHET. Lucrarea celei de-a doua enzime, cea care transformă MHET în acid tereftalic, este deja mult mai simplă, întrucât substratul său este format din monomeri la care enzima are acces ușor deoarece sunt dispersați în mediul de reacție. Prin urmare, studiile s-au concentrat pe PETase”, a explicat Silveira.

Următorul pas a fost studiul PETase în detaliu și aceasta a fost contribuția noii cercetări. „Accentul nostru a fost să aflăm ce a dat PETase capacitatea de a face ceva ce alte enzime nu au fost capabile să facă foarte eficient. Pentru asta, primul pas a fost obținerea structurii tridimensionale a acestei proteine”, a spus el.

„Obținerea structurii tridimensionale înseamnă găsirea coordonatelor x, y și z ale fiecăruia dintre miile de atomi care alcătuiesc macromolecula. Colegii noștri britanici au făcut această lucrare folosind o tehnică bine-cunoscută și utilizată pe scară largă numită difracție de raze X”, a explicat el.

Enzima modificată se leagă mai bine de polimer

Odată ce structura tridimensională a fost obținută, cercetătorii au început să compare PETaza cu proteinele înrudite. Cel mai apropiat lucru este o cutinaza de la bacteria Thermobifida fusca, care degradează cutina, un fel de lac natural care acoperă frunzele plantelor. Anumite microorganisme patogene folosesc cutinazele pentru a sparge bariera cutină și pentru a se apropia de nutrienții prezenți în frunze.

Imagine: Structura PETază, în albastru, cu un lanț PET (în galben) atașat la locul său activ, unde va fi degradat. Comunicat de presă/Rodrigo Leandro Silveira.

„Am descoperit că, în regiunea enzimei în care au loc reacțiile chimice, așa-numitul „site activ”, PETaza avea unele diferențe în raport cu cutinaza. Are un site activ mai deschis. Prin simulări pe computer – și aceasta a fost partea la care am contribuit cel mai mult – am putut studia mișcările moleculare ale enzimei. În timp ce structura cristalografică, obținută prin difracția cu raze X, oferă informații statice, simulările fac posibilă obținerea de informații dinamice și descoperirea rolului specific al fiecărui aminoacid în procesul de degradare a PET”, a explicat cercetătorul de la IQ-Unicamp.

Fizica mișcării moleculei rezultă din atracțiile și repulsiile electrostatice ale gamei uriașe de atomi și temperatură. Simulările pe computer ne-au permis să înțelegem mai bine modul în care PETase se leagă și interacționează cu PET.

„Am descoperit că PETaza și cutinaza au doi aminoacizi diferiți în locul activ. Folosind proceduri de biologie moleculară, producem apoi mutații în PETază, cu scopul de a o transforma în cutinază”, a spus Silveira.

„Dacă am fi capabili să facem acest lucru, am arăta de ce PETază este PETază, adică am ști ce componente îi conferă o proprietate atât de particulară de a degrada PET. Dar spre surprinderea noastră, încercând să suprimăm activitatea particulară a PETazei, adică încercând să transformăm PETază în cutinază, producem o PETază și mai activă. Căutam să reducem activitatea și, în schimb, am mărit-o”, a spus el.

Acest lucru a necesitat studii computaționale suplimentare pentru a înțelege de ce PETaza mutantă a fost mai bună decât PETază originală. Prin modelare și simulări, s-a putut observa că modificările produse în PETază favorizează cuplarea enzimei cu substratul.

Enzima modificată se leagă mai bine de polimer. Această cuplare depinde de factori geometrici, adică de potrivirea de tip „cheie și lacăt” între cele două molecule. Dar și factori termodinamici, adică interacțiunile dintre diferitele componente ale enzimei și polimer. Modul elegant de a descrie acest lucru este de a spune că PETaza modificată are „afinitate mai mare” pentru substrat.

În ceea ce privește o viitoare aplicație practică, a obținerii unui ingredient capabil să degradeze tone de deșeuri de plastic, studiul a fost un succes uriaș. Dar întrebarea despre ce face PETase o PETase rămâne fără răspuns.

„Cutinaza are aminoacizi a și b. PETaza are aminoacizi x și y. Ne imaginăm că, schimbând x și y cu a și b, am putea transforma PETaza în cutinază. În schimb, producem o PETază îmbunătățită. Cu alte cuvinte, cei doi aminoacizi nu sunt explicația pentru comportamentul diferențial al celor două enzime. Este altceva”, a spus Silveira.

evoluție continuă

Cutinaza este o enzimă străveche, în timp ce PETaza este o enzimă modernă, rezultată din presiunea evolutivă care a făcut posibilă Ideonella sakaiensis se adaptează la un mediu care conține doar sau în principal polietilen tereftalat ca sursă de carbon și energie.

Printre numeroasele bacterii care nu au putut folosi acest polimer, unele mutații au generat o specie care a reușit să facă acest lucru. Această bacterie a început să se reproducă și să crească mult mai mult decât celelalte pentru că avea suficientă hrană. Cu asta, ea s-a dezvoltat. Cel puțin aceasta este explicația oferită de teoria evoluționistă standard.

„Faptul că am obținut o enzimă mai bună făcând o mică schimbare sugerează cu tărie că această evoluție nu este încă completă. Există încă noi posibilități evolutive de înțeles și explorat, în vederea obținerii de enzime și mai eficiente. PETase îmbunătățită nu este capătul drumului. Este doar începutul”, a spus Silveira.

În vederea aplicării, următorul pas este trecerea de la scară de laborator la scară industrială. Pentru aceasta vor fi necesare alte studii, legate de ingineria reactorului, optimizarea proceselor și reducerea costurilor.