Plásticos vivos: una nueva solución para la degradación del plástico mediante la biología sintética
Un estudio proporciona un método novedoso para fabricar plásticos ecológicos
El grupo de investigación del Dr. DAI Zhuojun, del Instituto Shenzhen de Tecnología Avanzada (SIAT) de la Academia China de Ciencias (CAS), publicó un estudio titulado "Degradable Living Plastics Programmed by Engineered Spores" (plásticos vivos degradables programados por esporas artificiales) en Nature Chemical Biology. El estudio aprovecha la resistencia natural de las esporas, que pueden soportar condiciones ambientales extremas, programándolas para que segreguen enzimas que degradan el plástico en circunstancias específicas. Estas esporas se incrustan en matrices de plástico mediante métodos estándar de procesamiento de plásticos, como alta temperatura, alta presión o el uso de disolventes orgánicos. En condiciones normales, las esporas permanecen latentes, lo que garantiza la estabilidad del plástico. Sin embargo, cuando se exponen a desencadenantes específicos como la erosión de la superficie o el compostaje, las esporas se activan e inician el proceso de degradación, lo que conduce a la descomposición completa del plástico.
Los plásticos se utilizan mucho pero son difíciles de degradar, lo que plantea un reto ecológico. Un equipo del SIAT ha desarrollado "plásticos vivos" degradables mediante biología sintética e ingeniería de polímeros. Crearon esporas de Bacillus subtilis para producir Burkholderia cepacia lipasa (BC-lipasa), una enzima que descompone el plástico. Estas esporas se mezclaron con poli(caprolactona) (PCL) para crear los plásticos, manteniendo las propiedades físicas del material. Cuando se erosiona la superficie del plástico, las esporas liberan la enzima, lo que provoca la descomposición casi completa del plástico.
DAI Zhuojun
Antecedentes de la investigación
La invención de los plásticos ha mejorado nuestra vida cotidiana, pero la producción masiva y la eliminación inadecuada de residuos plásticos han convertido la contaminación por plásticos en un importante problema medioambiental. En 2016, Yoshida et al. descubrieron una bacteria, Ideonella sakaiensis, en suelo contaminado con poli (tereftalato de etileno) (PET) cerca de una instalación de reciclaje en Japón. Esta bacteria puede crecer utilizando PET como principal fuente de carbono mediante la producción de dos enzimas clave: PETasa y MHETasa. Desde entonces, numerosas investigaciones en biología sintética se han centrado en descubrir, diseñar y evolucionar las enzimas pertinentes para degradar plásticos, pero apenas se han explorado métodos innovadores para crear plásticos degradables.
Esporas latentes y plásticos vivos
Los microorganismos han desarrollado mecanismos intrínsecos para defenderse de condiciones adversas a lo largo de miles de millones de años. Un ejemplo clásico es la formación de esporas resistentes a la sequedad, las altas temperaturas y la alta presión (condiciones similares en la transformación de plásticos). Mediante biología sintética, el equipo de investigadores modificó el Bacillus subtilis con un circuito genético para controlar la secreción de una enzima degradadora de plásticos (lipasa BC de Burkholderia cepacia). Bajo el estrés de los iones de metales pesados, el Bacillus subtilis forma esporas. El equipo mezcló estas esporas modificadas con gránulos de plástico de poli(caprolactona) (PCL) y produjo plásticos con esporas mediante extrusión a alta temperatura o disolución con disolventes. Las pruebas demostraron que estos "plásticos vivos" tenían propiedades físicas similares a las de los plásticos PCL normales. Durante el uso diario, las esporas permanecen latentes, lo que garantiza el rendimiento estable del plástico.
Liberación de esporas e inicio de la degradación
El primer paso clave en la degradación del plástico es la liberación de las esporas incrustadas en el plástico vivo para la reactivación celular. Los investigadores han demostrado en primer lugar dos métodos de liberación de esporas. Un método utiliza una enzima (lipasa CA) para erosionar la superficie del plástico. A continuación, estas esporas liberadas germinaron y expresaron la lipasa BC, que se unió a los extremos de las cadenas del polímero PCL y degradó casi por completo las moléculas de PCL (peso molecular final <500 g/mol). Los resultados mostraron que el plástico vivo podía degradarse eficientemente en 6-7 días, mientras que el plástico PCL ordinario sometido sólo a daño superficial (lipasa CA) todavía tenía una gran cantidad de restos de plástico después de 21 días.
Otro método para la liberación de esporas es el compostaje. En ausencia de agentes exógenos adicionales, los plásticos vivos en el suelo podían degradarse completamente en 25-30 días, mientras que el plástico PCL tradicional tardaba unos 55 días en degradarse hasta un nivel invisible a simple vista.
Más allá de los plásticos PCL
Como ya se ha mencionado, las condiciones de procesamiento del PCL son relativamente "suaves" entre los plásticos. Para comprobar la aplicabilidad general del sistema, el equipo siguió probando otros sistemas plásticos comerciales. Mezclaron esporas portadoras de plásmidos de expresión de GFP con PBS (succinato de polibutileno), PBAT (adipato-co-tereftalato de polibutileno), PLA (ácido poliláctico), PHA (polihidroxialcanoatos) e incluso PET (poli (tereftalato de etileno)) y procesaron la mezcla a temperaturas de hasta 300oC. Al liberar las esporas mediante trituración física, descubrieron sorprendentemente que las esporas aún podían revivir y expresaban la GFP. Estos resultados han sentado una base sólida para ampliar el método con otros tipos de plásticos.
Para validar el potencial de ampliación del sistema, el equipo de investigación también realizó una prueba industrial a pequeña escala con un sistema de PCL utilizando una extrusora de un solo tornillo. El PCL vivo generado seguía mostrando una propiedad de degradación rápida y eficaz (se degradaba en 7 días). En ausencia de factores externos, el PCL vivo mantuvo una forma estable, demostrando su robustez durante el servicio (estable en Sprite durante dos meses). Este estudio proporciona un método novedoso para fabricar plásticos ecológicos que pueden funcionar de forma estable cuando las esporas están latentes y degradarse cuando se despiertan, y arroja luz sobre el desarrollo de materiales para la sostenibilidad.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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