A produção de plásticos baratos, duráveis e adaptáveis explodiu nas últimas décadas à medida que se infiltravam em todas as áreas de nossa vida; mas este polímero outrora desejável tem um lado obscuro. Os plásticos podem levar centenas de anos para se degradar e com produção em níveis astronômicos (globalmente mais de 350 milhões de toneladas por ano), a poluição plástica é uma das preocupações ambientais mais urgentes que o mundo enfrenta hoje.
Uma quantidade impressionante de 150 milhões de toneladas de plástico é depositada em aterros ou é lançada no meio ambiente anualmente e mais de 8 milhões de toneladas são transportadas por rios para os oceanos do mundo. A maior parte não se degrada, mas simplesmente se decompõe em micropartículas. Esses microplásticos, já bem documentados são encontrados nas águas dos oceanos, em animais marinhos e até mesmo nas profundezas dos sistemas gastroentéricos de humanos. A poluição plástica é uma das questões ambientais mais críticas que a humanidade enfrenta hoje e os pesquisadores estão ocupados procurando respostas para esse problema desconcertante.
Despolimerização: resolvendo o enigma da reciclagem de polímeros
Os plásticos são feitos de polímeros – longas cadeias criadas pela repetição de blocos de monômeros. A maioria dos plásticos amplamente utilizados são termoplásticos ou termofixos. Termoplásticos, como acrílico, poliamida e polietileno, tornam-se macios e moldáveis em altas temperaturas e endurecem quando resfriados. Essa propriedade os torna relativamente fáceis de reciclar porque podem ser amolecidos e remodelados em novos produtos, embora o declínio da qualidade limite o benefício. Plásticos termofixos, como poliuretano, resina epóxi e resina de melamina, endurecem quando aquecidos e são quase impossíveis de reciclar. Os desafios enfrentados pela reciclagem de termoplásticos e termofixos indicam que todos os plásticos estão destinados a contribuir para a contaminação ambiental.
Para conseguir uma reciclagem real, com reutilização posterior em novos produtos, os resíduos plásticos precisam ser devolvidos aos seus monômeros originais por meio de um processo chamado despolimerização. Este é um avanço técnico crítico necessário para permitir uma economia global de materiais circulares. Em sistemas biológicos, a despolimerização completa em monômeros pode ser necessária para a absorção e crescimento microbiano.
Para alcançar a despolimerização, os cientistas olharam para a natureza, em busca de enzimas microbianas que conseguem quebrar plásticos. Em 2012, pesquisadores da Universidade de Osaka descobriram uma enzima em uma pilha de compostagem que pode quebrar um dos plásticos mais usados do mundo: polietileno tereftalato (PET, CAS Registry Number 25038-59-9, fórmula (C10H8O4)n).
A enzima, conhecida como leaf-branch compost cutinase (LLC) (enzima cutinase do composto de ramo da folha), quebra as ligações entre os monômeros de PET, mas é intolerante à temperatura de amolecimento do PET de 65 °C, desnaturando após alguns dias de trabalho nessa temperatura e limitando sua viabilidade industrial. Como a despolimerização só pode ocorrer em plástico fundido, as enzimas devem ser estáveis em temperaturas elevadas
Despolimerização de PET de dupla ação de uma bactéria do solo pouco conhecida
O PET é um termoplástico e um dos tipos de poliéster mais utilizados. A produção mundial de PET cresceu de 42 milhões de toneladas em 2014 para 50 milhões de toneladas em 2016 e deve chegar a 87 milhões de toneladas até 2022.
Este polímero sintético é fabricado a partir de ácido tereftálico derivado do petróleo (TPA) e etilenoglicol (EG). O PET é um polímero versátil que pode ser transparente, opaco ou de cor branca, dependendo de sua estrutura cristalina e tamanho de partícula (Fig. 1). É amplamente utilizado para produzir fibras de vestuário e recipientes, incluindo garrafas de água, e o PET não orientado pode ser termoformado (ou moldado) para a fabricação de outros produtos de embalagem, como blisters1. Encontrar uma maneira eficaz de despolimerizar o PET será um marco importante na jornada em direção à verdadeira reciclagem de plástico e consequente proteção ambiental.
A biodegradação do PET tem sido extensivamente estudada porque as enzimas esterase (enzimas que dividem os ésteres em um ácido e um álcool) são abundantes na natureza2. Relatos sobre a degradação biológica do PET ou sua utilização para apoiar o crescimento microbiano são, no entanto, pouco frequentes. Alguns organismos do grupo dos fungos filamentosos, Fusarium oxysporum e Fusarium solani, foram cultivados em meio mineral contendo fios de PET3.
Em 2016, Yoshida et al4 relataram a descoberta e caracterização da cepa de bactéria do solo, Ideonella sakaiensis 201-F6, encontrada crescendo em sedimentos contaminados com PET perto de uma instalação de reciclagem de plástico no Japão. Esta bactéria gram-negativa, aeróbica e em forma de bastonete tem a notável capacidade de usar o PET como sua principal fonte de carbono e energia para o crescimento.
A I.sakaiensis emprega um sistema de duas enzimas para despolimerizar o PET em seus componentes básicos, TPA e EG, que são posteriormente catabolizados em uma fonte de carbono e energia. Uma das duas enzimas, a proteína ISF6_4831, hidrolisa e quebra as ligações éster. Com uma preferência por ésteres aromáticos em vez de alifáticos e uma inclinação específica para o PET, é chamado de PET hidrolase (PETase). A enzima PETase em I. sakaiensis é uma serina hidrolase semelhante à cutinase que ataca o polímero PET, liberando bis(2-hidroxietil) tereftalato (BHET), mono(2-hidroxietil) tereftalato (MHET) e TPA. A PETase ainda cliva o BHET em MHET e EG. A segunda enzima, proteína ISF6_0224, MHET hidrolase (MHETase), hidrolisa ainda mais o MHET solúvel para produzir TPA e EG (Fig. 2). As duas enzimas são necessárias, provavelmente de forma sinérgica, para converter enzimaticamente o PET em seus dois monômeros ambientalmente benignos, TPA e EG4, tornando possível a reciclagem total do PET.
Fig. 2. Esquema de despolimerização do PET: A PETase catalisa a despolimerização do PET em bis(2-hidroxietil)-TPA (BHET), mono(2-hidroxietil) tereftalato (MHET) e ácido tereftálico (TPA). A MHETase converte MHET em monômeros TPA e etilenoglicol (EG).
Mutantes de PETase maximizam a capacidade de degradação do PET
Estudos sequenciais e estruturais da enzima PETase destacam semelhanças com as enzimas cutinase, desenvolvidas por muitas bactérias para quebrar a cutina, um polímero natural e ceroso que faz parte da cutícula protetora de muitas plantas. A análise estrutural do cristal e os testes bioquímicos revelam que a PETase em I.sakaiensis 2 tem uma arquitetura de sítio ativo aberto no sítio de ligação e que provavelmente opera ao longo do mecanismo catalítico canônico da hidrolase da serina5.
Com base em modificações estruturais na PETase e uma fenda no sítio ativo da cutinase homóloga, as variantes da PETase já foram produzidas e testadas quanto à degradação do PET, incluindo um mutante com uma dupla mutação distal do centro catalítico. Acredita-se que essa área seja capaz de alterar importantes interações de ligação ao substrato6. Este duplo mutante, baseado na arquitetura da cutinase, mostrou exibir maior capacidade de degradação do PET em relação à PETase6 de tipo selvagem e agora foi depositada uma patente7.
Ao estreitar a fenda de ligação através da mutação de dois resíduos do sítio ativo em cutinases, os pesquisadores observaram uma degradação melhorada do PET, sugerindo que a PETase não exibe a estrutura ideal para a degradação do PET cristalino, apesar de evoluir em um ambiente rico em PET. A enzima mutante leva apenas alguns dias para começar a quebrar o plástico – significativamente mais rápido do que os séculos que leva nos oceanos.
De mutante duplo a um coquetel enzimático duplo
Quando a enzima MHETase é adicionada à reação, a mistura de enzimas decompõe o PET duas vezes mais rápido que a PETase sozinha. A tendência de degradação observada dentro da faixa de cargas de enzimas testadas mostra níveis crescentes de monômeros constituintes à medida que a concentração das duas enzimas aumenta. Isso indica que as reações são limitadas pela enzima e não pelo substrato. A análise de sinergia também indica que as taxas de degradação aumentam com o carregamento de PETase e que a presença de MHETase, mesmo em baixas concentrações em relação à PETase, melhora a degradação total. Os experimentos atuais não indicam uma proporção ideal de PETase para MHETase.
Criar uma superenzima triplica a degradação do PET
Em outros experimentos explorando as propriedades e o escopo da degradação do PET, os pesquisadores projetaram uma nova superenzima costurando MHETase e PETase em uma longa cadeia. As proteínas quiméricas que ligam, de forma covalente, o terminal C da MHETase ao terminal N da PETase, usando ligantes flexíveis de glicina-serina, foram geradas e testadas quanto à degradação do PET amorfo (Fig. 3). Ao comparar a extensão da degradação alcançada por diferentes enzimas, as proteínas quiméricas superam tanto a PETase quanto a MHETase, bem como a mistura de enzimas não ligadas.
Curiosamente, a superenzima não apenas despolimeriza o PET, mas também funciona em PEF (polietileno furanoato), um bioplástico à base de açúcar usado em garrafas de cerveja.
A desconstrução enzimática de alguns polímeros naturais, como celulose e quitina, é conseguida na natureza por misturas de enzimas de ação sinérgica secretadas por micróbios8. Esses sistemas microbianos naturais evoluíram ao longo do tempo para degradar de forma otimizada esses polímeros. Parece que algumas bactérias do solo, como I. sakaiensis, evoluíram de maneira semelhante para utilizar um substrato de poliéster com um sistema de duas enzimas4,9. Ao contrário da degradação natural, que pode levar séculos, a superenzima pode converter o PET de volta aos seus monômeros em apenas alguns dias, embora isso ainda seja muito lento para ser comercialmente viável.
Reciclagem infinita com degradação do plástico
Ao converter o PET de volta aos seus componentes básicos monoméricos originais, a superenzima permitiria que os plásticos fossem feitos e reutilizados infinitamente, reduzindo a dependência de recursos fósseis. E as novidades não param por aqui…
Em 2020, outro grande avanço, os cientistas identificaram outra enzima que poderia degradar o PET em apenas 10 horas10. A pesquisa selecionou uma grande variedade de bactérias e enzimas para potenciais candidatos, incluindo a cutinase de composto de ramo da folha, LCC, que foi descoberta pela primeira vez em 2012. Centenas de enzimas PET hidrolase mutantes foram então produzidas variando aminoácidos no local de ligação e melhorando a estabilidade térmica. Foram então selecionados mutantes bacterianos para identificar decompositores eficientes de PET. Depois de executar esse processo por várias rodadas, foi isolada uma enzima mutante que é 10.000 vezes mais eficiente na degradação do PET do que a LCC nativa. Também é estável a 72 °C, próximo da temperatura de fusão do PET. Essa descoberta contribui significativamente para alcançar a reciclagem infinita do PET e já está em fase piloto industrial10.
Estamos vendo apenas a ponta do iceberg de possibilidades que esses microrganismos e suas enzimas podem oferecer. A maioria dos plásticos é derivada de combustíveis fósseis, finitos em sua criação, mas onipresentes em nosso meio ambiente. A poluição plástica continuará a ser um problema crescente, a menos que possamos encontrar uma maneira de formar uma economia circular. Em apenas algumas décadas, seremos incapazes de produzir os itens de plástico dos quais dependemos, a menos que encontremos uma maneira de reciclar os resíduos que já existem. A reciclagem tradicional não é eficaz ou sustentável e, a menos que possamos reduzir os plásticos a seus constituintes monômeros em escala industrial, não podemos esperar resolver esse problema. Felizmente, com a ajuda da natureza, alguma evolução hábil e uma pitada de engenhosidade científica, há esperança de que esse problema possa ser resolvido.
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REFERÊNCIAS
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