Pl�sticos con biodegradaci�n enzim�tica programada para un mundo m�s sostenible

Las enzimas pueden ayudar a resolver uno de los problemas ambientales m�s apremiantes en la actualidad: eliminar los residuos pl�sticos. Se ha demostrado que determinadas enzimas tienen el potencial de iniciar y acelerar la degradaci�n de multitud de pl�sticos. Esto permitir�a reducir su impacto ambiental mediante el dise�o de enzimas orientadas adecuadamente al fin de vida del pl�stico: bien por el dise�o de nuevos materiales que integren dichas enzimas y permitan su biodegradaci�n controlada, o bien mediante la recuperaci�n de los flujos pl�sticos y su posterior reciclaje enzim�tico.

El proyecto RevoluZion (2021-2025) focaliza esfuerzos en la primera opci�n y se enfrenta no s�lo al reto de dise�ar enzimas adecuadas que biodegraden los poli�steres seleccionados, si no al reto previo de poder integrarlas en el material sin que pierdan su funci�n. Es por ello fundamental entender c�mo es el proceso de manufactura de un producto pl�stico d�nde el material sufre de altas temperaturas para ser fundido, as� como de altas fuerzas de cizalla para hacerlo avanzar y mezclar por los husillos de las m�quinas. Este proceso puede resultar muy da�ino para dichas enzimas y por ello resulta clave encontrar m�todos de protecci�n para las enzimas, as� como estrategias de anclaje de las enzimas a la matriz pl�stica objetivo en la que se quiere integrar.

De este modo, el objetivo prioritario de Revoluzion es la producci�n de pl�sticos que incorporan enzimas en su matriz polim�rica con la misi�n de que, tras el ciclo de vida �til del pl�stico, se activen y lo degraden in situ y/o ex situ. Para ello, los miembros del Consorcio Revoluzion (KOMPUESTOS, Aitiip, Instituto de Cat�lisis y Petroqu�mica- ICP-CSIC, Universidad de Granada y el Centro de Investigaciones Biol�gicas Margarita Salas -CIB-CSIC) se encuentran ahora mismo desarrollando enzimas y estrategias para que toleren las exigentes temperaturas de extrusi�n empleadas en la manufactura de los pl�sticos en estudio.

Las enzimas del proyecto Revoluzion est�n siendo generadas mediante herramientas disruptivas de ingenier�a de prote�nas, que combinan m�todos de resurrecci�n ancestral (grupo de Jos� Manuel S�nchez Ruiz de la Universidad de Granada) y evoluci�n dirigida (Grupo de Miguel Alcalde del ICP-CSIC). Con la finalidad de que soporten las rigurosas condiciones del proceso de fabricaci�n de los pl�sticos, se est�n aplicando herramientas computacionales y gen�ticas de �ltima generaci�n enfocadas en mejorar las termoestabilidad y actividad de enzimas modernas y ancestrales, est�s �ltimas �resucitadas� en el laboratorio. Estudios llevados a cabo en los �ltimos 20 a�os han demostrado que las enzimas ancestrales presentan con frecuencia propiedades que contribuyen a su evolucionabilidad (es decir, a su capacidad de generar nuevas funcionalidades) y que las hacen �tiles como punto de para su ulterior evoluci�n dirigida en el laboratorio.

Entre estas propiedades se suelen encontrar la promiscuidad catal�tica (capacidad de catalizar varias reacciones qu�micas relacionadas) y la alta estabilidad que posiblemente refleja el hecho de que la vida surgi� en condiciones ambientales extremas, entre ellas las altas temperaturas. Esta �ltima propiedad es particularmente interesante en el contexto de este proyecto ya que la incorporaci�n de enzimas en pl�sticos para incrementar su biodegradabilidad o, incluso, para dise�ar su degradaci�n programada, requiere que la actividad enzim�tica pueda conservarse tras la exposici�n a alta temperatura durante un tiempo m�s o menos largo. En este sentido, la evoluci�n dirigida, estrategia por la que se concedi� a sus inventores el premio Nobel de Qu�mica 2018, explota el inmenso potencial de la evoluci�n natural para dise�ar enzimas de nuevo cu�o. En RevoLuzion, se est�n aplicando ciclos iterativos de mutaci�n aleatoria, recombinaci�n y selecci�n artificial tanto sobre enzimas ancestrales como modernas. Al igual que los criadores de animales realizan un proceso de especiaci�n controlada, en RevoLuzion se est�n generando familias completas de enzimas quim�ricas en una suerte de �cr�a molecular� en el tubo de ensayo. Tales quimeras presentan propiedades h�bridas que a�nan la resistencia y promiscuidad de origen ancestral con los mejores atributos de las enzimas modernas en cuanto a su actividad sobre materiales pl�sticos que llevan en nuestro planeta tan solo unas pocas decenas de a�os. En definitiva, se persigue conseguir un panel de enzimas superresistentes y eficientes en la biodegradaci�n contralada y programada de los pl�sticos.

Con la finalidad de preparar las enzimas para su integraci�n en el pl�stico, en RevoLuzion se est� trabajando en el dise�o de nuevos sistemas protectores basados en biopol�meros como polihidroxialcanoatos (PHAs) o celulosa bacteriana, que permitir�n regular la actividad y aumentar a�n m�s la estabilidad de las enzimas dise�adas gen�ticamente. Para ello, el grupo de Auxiliadora Prieto -Biotecnolog�a de Pol�meros (POLYBIO)- del CIB-CSIC emplea distintas t�cnicas de inmovilizaci�n enzim�tica, como uni�n o atrapamiento en soportes y encapsulaci�n mediante emulsiones. Mediante esta metodolog�a, se eval�an PHAs con diversa composici�n monom�rica y, por tanto, diferentes propiedades t�rmicas y mec�nicas para la obtenci�n de distintos aditivos enzim�ticos. Adem�s, la uni�n a PHA de estas enzimas se puede favorecer a trav�s de su funcionalizaci�n con p�ptidos de adhesi�n presentes en las fasinas, prote�nas anfip�ticas asociadas a los gr�nulos intracelulares de PHA.

De manera sin�rgica, el centro tecnol�gico AITIIP desarrolla la integraci�n de estas nuevas estructuras enzim�ticas a escala preindustrial en mezclas de biopoli�sters tales como el bioPBS, PLA, PHA y PBAT) y su siguiente transformaci�n en productos r�gidos y flexibles para la industria alimentaria y agraria con un escenario de fin de vida sostenible programado, bajo la premisa de no comprometer su actividad degradadora de pl�sticos. Para ello, se est�n empleando componentes conocidos por sus capacidades de plastificaci�n y protecci�n t�rmica, como pueden ser el glicerol o nanoarcillas (adem�s de otros tipos de aditivos), que servir�n como armaz�n ante los ataques t�rmicos generados por el proceso de extrusi�n compound.

El desarrollo de los pl�sticos con las enzimas integradas se realiza mediante un proceso termomec�nico. El compuesto enzim�tico ya preparado y la matriz de biopl�stico con la que se van a realizar los productos finales se mezclan dentro de una cavidad calefactada especialmente dise�ada para fundir el pl�stico y mezclas los componentes. Actualmente se est� trabajando el optimizar dicho perfil de temperaturas, as� como el posicionamiento �ptimo para la entrada de las enzimas dentro de la longitud de dicha cavidad con el fin de garantizar la �supervivencia� o actividad enzim�tica posterior de las enzimas.

Finalmente, con las muestras de los materiales obtenidos se realiza un an�lisis de la actividad enzim�tica, verificando si, efectivamente, la protecci�n utilizada surte el efecto esperado, o si, por el contrario, la enzima se encuentra desnaturalizada -ha perdido su actividad-.

Las siguientes etapas del proyecto se dedicar�n a la transformaci�n del pellet obtenido como candidato ideal en soluciones flexibles, r�gidas y semirr�gidas para el sector del packaging y el sector agroalimentario. El objetivo es fabricar varios una gama de prototipos (mulchinng- films de cobertura para cultivo, o c�psulas de caf� sostenibles), cuyo fin de vida ser� validado en procesos de compostaje en condiciones industriales, para el hogar y en suelo. La expectativa es la reducci�n del tiempo de desintegraci�n en un 33%. Las enzimas que se est�n desarrollando se han seleccionado efectivamente por tener dos atributos: alto potencial de degradaci�n, en comparaci�n con otros enlaces qu�micos de los pol�meros objetivo y alta resistencia a avientes extremos en t�rminos de temperatura y cizalla propios de los procesos de transformaci�n de pl�stico.