Botella de plástico usada en la playa

Reciclaje químico-enzimático del PET

Actualmente el PET es una problemática mundial. Anualmente se consumen 72 millones de toneladas de PET en el mundo, de las cuales, menos del 10% logran reincorporarse en la cadena productiva mediante un reciclaje del tipo mecánico.


En este momento, no existe una tecnología capaz de reciclar el 100% del PET que consumimos de forma RENTABLE. Debido a esto, año con año desechamos 64 millones de toneladas al medio ambiente.

Los métodos de reciclaje químicos son la única tecnología capaz de generar una resina reciclada igual a la resina virgen, sin embargo, las tecnologías químicas actuales como la hidrólisis y otras disponibles no son rentables, principalmente por el alto consumo energético que necesitan.
 

Ante esta panorama, decidimos intentar resolver el problema mediante el uso de enzimas. La idea es reducir la cantidad de energía requerida para despolimerizar el PET hasta el punto en que sea rentable el proceso. Para ello, necesitamos a la mejor enzima, que conseguimos mediante el diseño racional, a continuación, mostramos su desarrollo.
 

Polyethylene-terephthalate-3D-spacefill.

Enzimas con termoestabilidad mejorada para la degradación de productos plásticos

Antecedentes

El problema consiste en que el PET es un polímero reciente para el planeta, por lo cual, la naturaleza no cuenta con enzimas para su descomposición. Sin embargo, a partir del 2005 se empezaron a reportar diferentes enzimas cutinasas que mostraban cierta capacidad de hidrólisis hacia el PET (Tabla 1).

Todas estas enzimas, si bien mostraban cierta actividad de hidrólisis al PET,  los tiempos de reacción iban de días a semanas, con rendimientos muy bajos, lo cual hacía impensable su uso en un nivel industrial.

Las razones principales de sus bajos rendimientos son:

1) las cutinasas no son especificas al pet

El sustrato natural de todas estas enzimas es la cutina, un poliester no aromático, por lo que el sitio activo NO está diseñado para unir al PET y por lo tanto, la unión al sustrato PET es pobre.

Imagen12.png

Para mejorar los rendimientos de reacción se necesitaba generar una enzima específica hacia el PET, es decir generar un sitio activo con la máxima afinidad posible al polímero de PET.

 

Desafortunadamente no se contaban con este tipo de enzima, hasta el 2016. 

2) El PET es un polimero semicristalino

El polímero de PET se caracteriza por un acomodo de sus cadenas tan estrecho que no permite el paso ni siquiera del solvente, por lo que las enzimas no tienen el espacio suficiente para realizar la catálisis.

Calor

Para poder abrir las cadenas de PET, es necesario aplicar calor, por ello se necesitan enzimas termoestables que permitan realizar la reacción por arriba de los 70°C que es la Tg del PET. 

Afortunadamente, dentro de las cutiansas que se habían reportado con actividad hidrolítica del PET, se encontraban varias enzimas termoestables.

En el 2016 se reporta la primer bacteria Ideonella sakaiensis, que usa como principal fuente de carbono y energía al PET y describen dos enzimas como las responsables de este fenotipo, la PETASE y la MHETASE.

Siendo la PETASE la primer enzima reportada que es específica hacia al PET.

Yoshida, et al; 2016

Portada de artículo, donde se describe la primera bacteria con capacidad de asimilar el PET. Publicado en la prestigiosa revista SCIENCE

Ensayo de Actividad

Ensayo de actividad donde se compara la PETASE con las cutinasas que previamente se habían descrito. Se observa como la PETASE muestra mayor actividad hidrolítica hacia el PET.

Thermal Shift

Ensayo de Thermal shift. Se observa que la PETASE posee una Tm de 46.8°C mientras que la cutinasa TfCut2 llega a los 67.9°C.

Cuando se compara esta enzima diseñada por la naturaleza con las cutinasas que se habían reportado anteriormente (Tabla 1) se observó que es hasta 120 veces más activa, sin embargo, esta enzima no es termoestable, teniendo una Tm de 46.8°C, por lo que solo se necesitaba aumentar su termoestabilidad para poder llevarla a un proceso industrial y eso hicimos.

Del 2016 al 2019 se reportaron 14 estructuras cristalográficas de la PETASE. Al hacer un alineamiento estructural de la PETASA de I. sakaiensis y las cutinasas de la Tabla 1, se puede observar que son muy similares a nivel estructural, sin embargo si se analiza el sitio activo se puede observar que existen cuatro grandes diferencias estructurales entre las cutinasas y la PETASA (1) (2).

Resultados

A partir de estos resultados, varios grupos de investigación han dirigido sus esfuerzos en aumentar la termoestabilidad de la PETASE, sin embargo, las estrategias han estado centradas en la mutación de la propia enzima (3) (4).

En este sentido, nuestro desarrollo consistió en llevar el sitio activo de la PETASE a una cutinasa termoestable, de esta forma transformamos una cutinasa en una PETASE. De forma más específica realizamos mutaciones en la cutinasa de T. fusca para que incorpore las cuatro características únicas que se encuentran en el sitio activo de la PETASA de I. sakaiensis, sin que interfiera con otras interacciones estructurales importantes.

Imagen18.png

En el panel de la izquierda, se muestran las 4 diferencias en el sitio activo que presenta la PETASA frente a las cutinasas.

En el panel de la derecha se muestran en rojo todas las mutaciones que se hicieron a la cutinasa para transformar

su sitio activo en el de una PETASA

Con esta estrategia conseguimos, aumentar la termoestabilidad de 46°C a 68°C igualando la actividad catalítica al mismo nivel que la PETASE. Sin embargo, aún necesitábamos aumentar más la termoestabilidad pues se requieren enzimas que soporten temperaturas superiores a los 70°C, por lo que la siguiente estrategia fue incorporar puentes salinos en regiones alejadas del sitio activo.

Aprovechando la amplia información estructural con las que se contaba, identificamos 5 puentes salinos, alejados del sitio activo con capacidad de ser insertados en nuestra enzima:

1.- ARG 108 – ASP 53
2.- ARG 124 – ASP 98
3.- ARG 173 – GLU 176
4.- ARG 173 – ASP 193
5.- ARG 286 – ASP 284

Procedimos a realizar la incorporación de estos puentes salinos en nuestra enzima Catálisis Seq1. Fuimos incorporando de manera gradual los puentes salinos, realizando las mutaciones necesarias. Con esta metodología logramos ir aumentando la termoestabilidad en aproximadamente 30°C.

Puentes Salinos presentes en la LC-Cutinasa

Se observan los 5 puentes salinos que tiene la LC-Cutinasa y que son probables de introducir en nuestra enzima.

Puentes salinos incoporados en nuestra enzima

Se muestra en rojo los residuos que mutamos para incorporar los puentes salinos.

Tabla de Termoestabilidad de nuestras diferentes enzimas
Presentación de Patente ante el IMPI

El diseño racional de proteínas nos ha permitido desarrollar una enzima específica y termoestable, lo que la hace ser la mejor enzima reportada con mejor capacidad de hidrolizar el PET. Hemos presentado nuestra patente ante el IMPI.

 

Sin embargo, este desarrollo solo resuelve la mitad del problema, seguimos trabajando en un pretratamiento del PET que nos permita desacoplar las cadenas del polímero previo a la entrada de la enzima.

 

Por otro lado, estamos trabajando para que esta investigación no se quede en eso y pueda llegar al mercado y verdaderamente aporte en la solución a la problemática del PET, quizá este sea un reto más grande que todo el desarrollo científico, sin embargo, vamos aprendiendo y estamos convencidos que vamos por buen camino para convertirnos en una empresa exitosa.

A lo largo de nuestro camino, hemos encontrado amigos muy valiosos a los cuales agradecemos todo el apoyo que nos han brindado, como Xchallenge y Hoteles Cityexpress.

Recientemente fuimos seleccionados por GRIDX como la única startup mexicana en participar en su programa IGNITE

Ganadores Premio City Express
Ganadores XCHALLENGE CDMX
2° Lugar Xchallenge 2019
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