Plásticos con biodegradación enzimática programada para un mundo más sostenible

Las enzimas pueden ayudar a resolver uno de los problemas ambientales más apremiantes en la actualidad: eliminar los residuos plásticos. Se ha demostrado que determinadas enzimas tienen el potencial de iniciar y acelerar la degradación de multitud de plásticos. Esto permitiría reducir su impacto ambiental mediante el diseño de enzimas orientadas adecuadamente al fin de vida del plástico: bien por el diseño de nuevos materiales que integren dichas enzimas y permitan su biodegradación controlada, o bien mediante la recuperación de los flujos plásticos y su posterior reciclaje enzimático.

El proyecto RevoluZion (2021-2025) focaliza esfuerzos en la primera opción y se enfrenta no sólo al reto de diseñar enzimas adecuadas que biodegraden los poliésteres seleccionados, si no al reto previo de poder integrarlas en el material sin que pierdan su función. Es por ello fundamental entender cómo es el proceso de manufactura de un producto plástico dónde el material sufre de altas temperaturas para ser fundido, así como de altas fuerzas de cizalla para hacerlo avanzar y mezclar por los husillos de las máquinas. Este proceso puede resultar muy dañino para dichas enzimas y por ello resulta clave encontrar métodos de protección para las enzimas, así como estrategias de anclaje de las enzimas a la matriz plástica objetivo en la que se quiere integrar.

De este modo, el objetivo prioritario de Revoluzion es la producción de plásticos que incorporan enzimas en su matriz polimérica con la misión de que, tras el ciclo de vida útil del plástico, se activen y lo degraden in situ y/o ex situ. Para ello, los miembros del Consorcio Revoluzion (KOMPUESTOS, Aitiip, Instituto de Catálisis y Petroquímica- ICP-CSIC, Universidad de Granada y el Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas -CIB-CSIC) se encuentran ahora mismo desarrollando enzimas y estrategias para que toleren las exigentes temperaturas de extrusión empleadas en la manufactura de los plásticos en estudio.

Las enzimas del proyecto Revoluzion están siendo generadas mediante herramientas disruptivas de ingeniería de proteínas, que combinan métodos de resurrección ancestral (grupo de José Manuel Sánchez Ruiz de la Universidad de Granada) y evolución dirigida (Grupo de Miguel Alcalde del ICP-CSIC). Con la finalidad de que soporten las rigurosas condiciones del proceso de fabricación de los plásticos, se están aplicando herramientas computacionales y genéticas de última generación enfocadas en mejorar las termoestabilidad y actividad de enzimas modernas y ancestrales, estás últimas “resucitadas” en el laboratorio. Estudios llevados a cabo en los últimos 20 años 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 útiles como punto de para su ulterior evolución dirigida en el laboratorio.

Entre estas propiedades se suelen encontrar la promiscuidad catalítica (capacidad de catalizar varias reacciones químicas relacionadas) y la alta estabilidad que posiblemente refleja el hecho de que la vida surgió en condiciones ambientales extremas, entre ellas las altas temperaturas. Esta última propiedad es particularmente interesante en el contexto de este proyecto ya que la incorporación de enzimas en plásticos para incrementar su biodegradabilidad o, incluso, para diseñar su degradación programada, requiere que la actividad enzimática pueda conservarse tras la exposición a alta temperatura durante un tiempo más o menos largo. En este sentido, la evolución dirigida, estrategia por la que se concedió a sus inventores el premio Nobel de Química 2018, explota el inmenso potencial de la evolución natural para diseñar enzimas de nuevo cuño. En RevoLuzion, se están aplicando ciclos iterativos de mutación aleatoria, recombinación y selección artificial tanto sobre enzimas ancestrales como modernas. Al igual que los criadores de animales realizan un proceso de especiación controlada, en RevoLuzion se están generando familias completas de enzimas quiméricas en una suerte de “cría molecular” en el tubo de ensayo. Tales quimeras presentan propiedades híbridas que aúnan la resistencia y promiscuidad de origen ancestral con los mejores atributos de las enzimas modernas en cuanto a su actividad sobre materiales plásticos que llevan en nuestro planeta tan solo unas pocas decenas de años. En definitiva, se persigue conseguir un panel de enzimas superresistentes y eficientes en la biodegradación contralada y programada de los plásticos.

Con la finalidad de preparar las enzimas para su integración en el plástico, en RevoLuzion se está trabajando en el diseño de nuevos sistemas protectores basados en biopolímeros como polihidroxialcanoatos (PHAs) o celulosa bacteriana, que permitirán regular la actividad y aumentar aún más la estabilidad de las enzimas diseñadas genéticamente. Para ello, el grupo de Auxiliadora Prieto -Biotecnología de Polímeros (POLYBIO)- del CIB-CSIC emplea distintas técnicas de inmovilización enzimática, como unión o atrapamiento en soportes y encapsulación mediante emulsiones. Mediante esta metodología, se evalúan PHAs con diversa composición monomérica y, por tanto, diferentes propiedades térmicas y mecánicas para la obtención de distintos aditivos enzimáticos. Además, la unión a PHA de estas enzimas se puede favorecer a través de su funcionalización con péptidos de adhesión presentes en las fasinas, proteínas anfipáticas asociadas a los gránulos intracelulares de PHA.

De manera sinérgica, el centro tecnológico AITIIP desarrolla la integración de estas nuevas estructuras enzimáticas a escala preindustrial en mezclas de biopoliésters tales como el bioPBS, PLA, PHA y PBAT) y su siguiente transformación en productos rígidos 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 plásticos. Para ello, se están empleando componentes conocidos por sus capacidades de plastificación y protección térmica, como pueden ser el glicerol o nanoarcillas (además de otros tipos de aditivos), que servirán como armazón ante los ataques térmicos generados por el proceso de extrusión compound.

El desarrollo de los plásticos con las enzimas integradas se realiza mediante un proceso termomecánico. El compuesto enzimático ya preparado y la matriz de bioplástico con la que se van a realizar los productos finales se mezclan dentro de una cavidad calefactada especialmente diseñada para fundir el plástico y mezclas los componentes. Actualmente se está trabajando el optimizar dicho perfil de temperaturas, así como el posicionamiento óptimo para la entrada de las enzimas dentro de la longitud de dicha cavidad con el fin de garantizar la “supervivencia” o actividad enzimática posterior de las enzimas.

Finalmente, con las muestras de los materiales obtenidos se realiza un análisis de la actividad enzimática, verificando si, efectivamente, la protección 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 dedicarán a la transformación del pellet obtenido como candidato ideal en soluciones flexibles, rígidas y semirrígidas 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 cápsulas de café sostenibles), cuyo fin de vida será validado en procesos de compostaje en condiciones industriales, para el hogar y en suelo. La expectativa es la reducción del tiempo de desintegración en un 33%. Las enzimas que se están desarrollando se han seleccionado efectivamente por tener dos atributos: alto potencial de degradación, en comparación con otros enlaces químicos de los polímeros objetivo y alta resistencia a avientes extremos en términos de temperatura y cizalla propios de los procesos de transformación de plástico.