Un nou estudi de l’ICM‑CSIC i l’IQAC‑CSIC explica per primera vegada els mecanismes moleculars que impedeixen la degradació enzimàtica del PET en la seva forma cristal·lina, la fracció més resistent dels plàstics presents en envasos i teixits moderns.
Investigadores i investigadors de l’Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC) i de l’Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC) han identificat els mecanismes moleculars que bloquegen la degradació enzimàtica del polietilè tereftalat (PET), un dels plàstics més fabricats del món, quan aquest es troba en la seva forma cristal·lina.
El treball, publicat a la revista The Journal of Physical Chemistry Letters, detalla per què fins i tot els enzims més avançats tenen dificultats per tallar completament els plàstics de les ampolles d'aigua o les fibres de polièster. Segons l'estudi, el problema rau en la quantitat ingent d'energia necessària perquè l'enzim encaixi amb les cadenes de polímer quan aquestes estan extremadament ordenades i compactes, fet que fa palès la necessitat de dissenyar noves eines biotecnològiques per a un reciclatge circular i més sostenible, reduint la dependència dels recursos fòssils.
El PET és un dels plàstics més fabricats al món, present en milions de tones de residus que acaben en abocadors o a l'oceà. Tot i que la ciència fa dues dècades que perfecciona enzims anomenats PETases per descompondre aquest material en els seus components originals, la majoria només funcionen de forma eficient sobre el PET "amorf", la porció més tova i desordenada, que se sotmet més directament a la degradació enzimàtica. No obstant això, els productes comercials acostumen a contenir un alt grau de cristal·linitat, amb les molècules molt ordenades, la qual cosa permet fer un plàstic més resistent, però que es converteix en un problema per a la degradació biològica. Fins ara, no se sabia amb exactitud què passava a escala atòmica quan un enzim intentava "mossegar" aquestes estructures rígides.
Barreres infranquejables
Per a l'elaboració del treball, l'equip científic ha combinat l'anàlisi de dades experimentals sobre la forma de les cadenes de plàstic amb simulacions computacionals d'alta precisió. Aquestes simulacions han permès observar com l'enzim s'uneix a petits fragments de plàstic i mesurar l'esforç energètic d'aquest procés.
"Els nostres resultats demostren que, encara que l'enzim és teòricament capaç d'assolir la posició correcta per realitzar el tall químic tant en el plàstic tou com en el cristal·lí, el cost energètic per aconseguir-ho en aquest últim és prohibitiu", explica l'investigador de l'ICM i de l'IQAC Francesco Colizzi, autor responsable del treball.
L'estudi detalla que, per al PET cristal·lí, no només es necessita molta més energia perquè la cadena encaixi en el centre actiu de l'enzim, sinó que a més es requereix un esforç addicional per separar les cadenes de plàstic entre si. En l'estructura cristal·lina, les cadenes estan tan fortament empaquetades que l'enzim simplement no té la força mecànica necessària per aïllar-les i processar-les. "És com intentar desfer un nus que està massa estret; encara que sàpigues per on passa la corda, no pots ni començar a moure-la", afegeix Colizzi.
Redisseny per a un futur sostenible
Aquest avenç no només descriu un problema, sinó que assenyala una solució. El fet d’entendre que la limitació és estructural i energètica, l'equip científic pot ara centrar-se a modificar l'arquitectura dels enzims existents. En aquest sentit, la investigació assenyala que les PETases que fem servir avui tenen limitacions de disseny que podrien corregir-se mitjançant enginyeria de proteïnes perquè siguin capaces de lidiar amb la rigidesa del PET comercial sense necessitat de pretractaments químics o tèrmics costosos i contaminants.
Ania Di Pede-Mattatelli, investigadora de l'ICM-CSIC i primera autora de l'estudi, destaca la rellevància social d'aquestes dades:
"Aquest coneixement és fonamental si volem que el reciclatge enzimàtic passi del laboratori a la indústria a gran escala. Si aconseguim dissenyar enzims que superin aquestes barreres d'energia, estarem molt més a prop d'una verdadera economia circular on les ampolles velles puguin transformar-se en ampolles noves de la mateixa qualitat, una vegada i una altra".
L’equip científic subratlla també que la col·laboració internacional és clau per a aquest següent pas. Actualment, treballen amb socis d’altres països per aplicar aquests models computacionals en el desenvolupament de variants enzimàtiques més potents. L'objectiu final és crear un catàleg de biocatalitzadors optimitzats per a diferents tipus de residus plàstics, minimitzant l'empremta de carboni del procés de reciclatge i oferint una alternativa viable a la producció de plàstic verge derivat del petroli.
Amb tot, l'estudi suposa un canvi de paradigma en passar de l'observació de "quins enzims funcionen" a la comprensió de "per què no funcionen sobre certs materials". Amb aquest mapa d'obstacles moleculars a la mà, la biotecnologia té ara un full de ruta clar per atacar el que és un dels desafiaments mediambientals més grans del segle XXI.