Una variante enzimatica creata da ingegneri e scienziati dell'Università del Texas ad Austin può abbattere la plastica, nel giro di poche e ore o giorni. Questa scoperta, pubblicata su Nature , potrebbe aiutare a risolvere uno dei problemi ambientali più urgenti del mondo: i rifiuti di plastica che inquinano terre naturali e acqua. Il progetto si concentra sul polietilene tereftalato (PET), un polimero che si trova nella maggior parte degli imballaggi di consumo e alcune fibre e tessuti. Costituisce il 12% di tutti i rifiuti globali.
L'enzima ha il potenziale per potenziare il riciclaggio su larga scala che consentirebbe alle principali industrie di ridurre il proprio impatto ambientale recuperando e riutilizzando la plastica a livello molecolare.
"Le possibilità sono infinite in tutti i settori per sfruttare questo processo di riciclaggio all'avanguardia", ha affermato Hal Alper, professore presso il Dipartimento di ingegneria chimica McKetta presso l'UT Austin. “Oltre all'ovvio settore della gestione dei rifiuti, questo offre anche alle aziende di ogni settore l'opportunità di assumere un ruolo guida nel riciclaggio dei loro prodotti. Attraverso questi approcci enzimatici più sostenibili, possiamo iniziare a immaginare una vera economia circolare della plastica”.
Il progetto si concentra sul polietilene tereftalato (PET), un polimero importante che si trova nella maggior parte degli imballaggi di consumo, inclusi contenitori per biscotti, bottiglie di bibite gassate, imballaggi per frutta e insalata e alcune fibre e tessuti. Costituisce il 12% di tutti i rifiuti globali.
L'enzima è stato in grado di completare un "processo circolare" di scomposizione della plastica in parti più piccole (depolimerizzazione) e quindi di rimonta chimica (ripolimerizzazione). In alcuni casi, queste plastiche possono essere completamente scomposte in monomeri in appena 24 ore.
I ricercatori della Cockrell School of Engineering e del College of Natural Sciences hanno utilizzato un modello di apprendimento automatico per generare nuove mutazioni in un enzima naturale chiamato PETasi che consente ai batteri di degradare la plastica PET. Il modello prevede quali mutazioni in questi enzimi raggiungerebbero l'obiettivo di depolimerizzare rapidamente la plastica di scarto post-consumo a basse temperature.
Attraverso questo processo, che ha incluso lo studio di 51 diversi contenitori di plastica post-consumo, cinque diverse fibre e tessuti di poliestere e bottiglie d'acqua tutte realizzate in PET, i ricercatori hanno dimostrato l'efficacia dell'enzima, che stanno chiamando FAST-PETasi (funzionale, attivo, PETasi stabile e tollerante).
"Questo lavoro dimostra davvero il potere di riunire diverse discipline, dalla biologia sintetica all'ingegneria chimica all'intelligenza artificiale", ha affermato Andrew Ellington, professore presso il Center for Systems and Synthetic Biology il cui team ha guidato lo sviluppo del modello di apprendimento automatico.
Il riciclaggio è il modo più ovvio per ridurre i rifiuti di plastica. Ma a livello globale, meno del 10% di tutta la plastica è stata riciclata. Il metodo più comune per smaltire la plastica, oltre a gettarla in una discarica, è bruciarla, che è costoso, ad alta intensità energetica e sprigiona gas nocivi nell'aria. Altri processi industriali alternativi includono processi di glicolisi, pirolisi e/o metanolisi ad alta intensità energetica.
Le soluzioni biologiche richiedono molta meno energia. La ricerca sugli enzimi per il riciclaggio della plastica è progredita negli ultimi 15 anni. Tuttavia, fino ad ora, nessuno era stato in grado di capire come produrre enzimi che potessero funzionare in modo efficiente a basse temperature per renderli sia portatili che convenienti su larga scala industriale. FAST-PETasi può eseguire il processo a meno di 50 gradi Celsius.
Successivamente, il team prevede di lavorare per aumentare la produzione di enzimi per prepararsi all'applicazione industriale e ambientale. I ricercatori hanno depositato una domanda di brevetto per la tecnologia e stanno osservando diversi usi. Ripulire le discariche e rendere più ecologiche le industrie ad alta produzione di rifiuti sono le più ovvie. Ma un altro potenziale utilizzo chiave è il risanamento ambientale. Il team sta esaminando diversi modi per portare gli enzimi sul campo per ripulire i siti inquinati.
“Quando si considerano le applicazioni di pulizia ambientale, è necessario un enzima che possa funzionare nell'ambiente a temperatura ambiente. Questo requisito è il punto in cui la nostra tecnologia avrà un enorme vantaggio in futuro", ha affermato Alper.
Alper, Ellington, professore associato di ingegneria chimica Nathaniel Lynd e Hongyuan Lu, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Alper, hanno condotto la ricerca. Raghav Shroff, un ex membro del laboratorio di Ellington e ora ricercatore presso lo Houston Methodist Research Institute, ha creato il modello di apprendimento automatico 3DCNN utilizzato per progettare l'enzima che mangia plastica. Danny Diaz, un attuale membro del laboratorio di Ellington, ha adattato il modello e ha creato una piattaforma web, MutCompute, per renderlo disponibile per un uso accademico più ampio. Altri membri del team includono dall'ingegneria chimica: Natalie Czarnecki, Congzhi Zhu e Wantae Kim; e dalle bioscienze molecolari: Daniel Acosta, Brad Alexander, Hannah O. Cole e Yan Jessie Zhang. Il lavoro è stato finanziato dalla divisione di ricerca e ingegneria di ExxonMobil nell'ambito di un accordo di ricerca in corso con UT Austin.
