Resumen

El reciclaje biotecnológico de plásticos ha surgido como una opción adecuada para hacer frente a la crisis de contaminación. Un gran avance en la biodegradación del poli(tereftalato de etileno) (PET) se logra mediante el uso de una variante LCC, que permite una conversión del 90% a nivel industrial. A pesar de los logros, sus aplicaciones se han visto obstaculizadas por el 10% restante de PET no biodegradable. En este trabajo, abordamos los desafíos actuales mediante el empleo de una estrategia computacional para diseñar una hidrolasa a partir de la bacteria HR29.

La variante rediseñada, TurboPETase, supera a otras hidrolasas de PET conocidas. La despolimerización casi completa se logra en 8 h con una carga de sólidos de 200 g kg−1. El análisis cinético y estructural sugiere que la mejora del rendimiento puede atribuirse a un surco de unión al PET más flexible que facilita la selección de puntos de ataque más específicos. En conjunto, nuestros resultados constituyen un avance significativo en la comprensión y la ingeniería de las hidrolasas de poliéster de aplicación industrial, y proporcionan orientación para futuros esfuerzos en otros tipos de polímeros.

Conclusiones

La despolimerización biocatalítica de PET ofrece un enfoque sostenible y energéticamente eficiente para el reciclaje de PET. Se presenta como una alternativa más respetuosa con el medio ambiente a los métodos de eliminación actuales, como los vertederos y la incineración. Si bien se han logrado avances significativos en este sentido, el objetivo final es desarrollar enzimas y procesos adecuados para aplicaciones a escala industrial. Tanto el alto contenido de sólidos de sustrato como la conversión benefician la economía de la biodegradación del PET, ya que reduce los gastos operativos y de capital.

Sin embargo, la suspensión de material exhibe una alta viscosidad aparente debido a la alta carga de sólidos. Esto, conduce a una transferencia limitada de masa y calor, lo que reduce la eficiencia de las enzimas en las primeras etapas de la hidrólisis. Más importante aún, el aumento de la carga de sólidos a niveles relevantes para la industria reduciría el rendimiento de despolimerización debido a la inhibición por altas concentraciones de producto16. Por lo tanto, la mera termoestabilidad de la enzima puede no ser suficiente para la degradación industrial del PET. Múltiples factores interactúan e influyen en la eficacia de las enzimas en escenarios del mundo real. Un aspecto que a menudo se pasa por alto por la comunidad científica es la variación en la hidrólisis enzimática heterogénea entre los experimentos de laboratorio y la producción industrial.

Por ejemplo, la actividad de despolimerización del PET se puede mejorar en el laboratorio mediante la fusión con módulos de unión no catalíticos para aumentar la concentración de enzimas en la superficie del PET. Sin embargo, esta ventaja se pierde por completo a nivel de carga de sólidos industriales15. A pesar de los recientes avances en la ingeniería de las hidrolasas de PET para mejorar su rendimiento en la despolimerización de PET, todavía se necesitan esfuerzos en la búsqueda de nuevas hidrolasas de PET para abordar la pérdida de conversión en condiciones industriales relevantes.

Aquí, empleamos una estrategia computacional híbrida para rediseñar una hidrolasa PET que supera significativamente a otras hidrolasas PET conocidas. Se logró una degradación casi completa de las botellas de PET posconsumo a un nivel de carga de sólidos relevante para la industria. Así, la enzima es altamente eficiente y óptima. Una buena candidata para futuras aplicaciones en procesos industriales de reciclaje de plástico. El mecanismo responsable de mejorar el rendimiento de la enzima se ha demostrado a través de análisis cinéticos derivados de un régimen de reacción inverso de Michaelis\u2012Menten, así como análisis estructural, lo que destaca la importancia de mejorar las interacciones específicas del polímero en sitios de ataque específicos en lugar de la adsorción superficial inespecífica general.

Los resultados pueden ayudar a profundizar en el conocimiento de la catálisis de reacciones heterogéneas y serán beneficiosos para el diseño de enzimas degradadoras de plástico viables para hacer frente a los retos asociados a otros plásticos más abundantes, como los poliuretanos con esqueletos hidrolizables. Si bien el potencial del diseño de enzimas impulsa nuevos desarrollos en la mejora del rendimiento de las enzimas, es crucial evaluar su eficiencia de despolimerización en condiciones industriales relevantes para demostrar la viabilidad práctica.

Tomado y traducido de la Revista Nature.