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Una variante de enzima creada por ingenieros y científicos de la Universidad de Texas en Austin puede descomponer los plásticos que estrangulan el medio ambiente y que normalmente tardan siglos en degradarse en cuestión de horas o días. Este descubrimiento, publicado hoy en Nature, podría ayudar a resolver uno de los problemas ambientales más apremiantes del mundo: qué hacer con los miles de millones de toneladas de desechos plásticos que se acumulan en los vertederos y contaminan nuestras tierras y aguas naturales. La enzima tiene el potencial de potenciar el reciclaje a gran escala, lo que permitiría a las principales industrias reducir su impacto ambiental mediante la recuperación y reutilización de plásticos a nivel molecular.

“Las posibilidades son infinitas en todas las industrias para aprovechar este proceso de reciclaje de vanguardia”, dijo Hal Alper, profesor en el Departamento de Ingeniería Química de McKetta en UT Austin. “Más allá de la obvia industria de gestión de residuos, esto también brinda a las corporaciones de todos los sectores la oportunidad de tomar la iniciativa en el reciclaje de sus productos. A través de estos enfoques enzimáticos más sostenibles, podemos comenzar a imaginar una verdadera economía circular de plásticos”. El proyecto se centra en el tereftalato de polietileno (PET), un polímero importante que se encuentra en la mayoría de los envases de consumo, incluidos los envases de galletas, las botellas de refrescos, los envases de frutas y ensaladas y ciertas fibras y textiles. Constituye el 12% de todos los residuos globales. La enzima pudo completar un “proceso circular” de descomponer el plástico en partes más pequeñas (despolimerización) y luego volver a unirlo químicamente (repolimerización). En algunos casos, estos plásticos se pueden descomponer por completo en monómeros en tan solo 24 horas. Investigadores de la Escuela de Ingeniería y la Facultad de Ciencias Naturales de Cockrell utilizaron un modelo de aprendizaje automático para generar mutaciones novedosas en una enzima natural llamada PETasa que permite que las bacterias degraden los plásticos PET. El modelo predice qué mutaciones en estas enzimas lograrían el objetivo de despolimerizar rápidamente el plástico residual posconsumo a bajas temperaturas.

A través de este proceso, que incluyó el estudio de 51 envases de plástico posconsumo diferentes, cinco fibras y telas de poliéster diferentes y botellas de agua hechas de PET, los investigadores demostraron la eficacia de la enzima, a la que denominan FAST-PETase (funcional, activa, PETasa estable y tolerante). “Este trabajo realmente demuestra el poder de unir diferentes disciplinas, desde la biología sintética hasta la ingeniería química y la inteligencia artificial”, dijo Andrew Ellington, profesor del Centro de Sistemas y Biología Sintética, cuyo equipo dirigió el desarrollo del modelo de aprendizaje automático. El reciclaje es la forma más obvia de reducir los desechos plásticos. Pero a nivel mundial, se ha reciclado menos del 10 % de todo el plástico. El método más común para deshacerse del plástico, además de arrojarlo a un vertedero, es quemarlo, lo cual es costoso, consume mucha energía y arroja gases nocivos al aire. Otros procesos industriales alternativos incluyen procesos muy intensivos en energía de glucólisis, pirólisis y/o metanólisis. Las soluciones biológicas consumen mucha menos energía. La investigación sobre enzimas para el reciclaje de plástico ha avanzado durante los últimos 15 años. Sin embargo, hasta ahora, nadie había sido capaz de descubrir cómo hacer enzimas que pudieran operar de manera eficiente a bajas temperaturas para que fueran portátiles y asequibles a gran escala industrial. FAST-PETase puede realizar el proceso a menos de 50 grados centígrados. A continuación, el equipo planea trabajar en la ampliación de la producción de enzimas para preparar su aplicación industrial y medioambiental. Los investigadores han presentado una solicitud de patente para la tecnología y están considerando varios usos diferentes. La limpieza de los vertederos y la ecologización de las industrias que producen muchos desechos son las más obvias. Pero otro uso potencial clave es la remediación ambiental. El equipo está buscando varias formas de llevar las enzimas al campo para limpiar los sitios contaminados.

“Al considerar las aplicaciones de limpieza ambiental, necesita una enzima que pueda funcionar en el medio ambiente a temperatura ambiente. Este requisito es donde nuestra tecnología tiene una gran ventaja en el futuro”, dijo Alper. Alper, Ellington, el profesor asociado de ingeniería química Nathaniel Lynd y Hongyuan Lu, investigador postdoctoral en el laboratorio de Alper, dirigieron la investigación. Raghav Shroff, ex miembro del laboratorio de Ellington y ahora científico investigador en el Instituto de Investigación Metodista de Houston, creó el modelo de aprendizaje automático 3DCNN utilizado para diseñar la enzima que come plástico. Danny Diaz, miembro actual del laboratorio de Ellington, adaptó el modelo y creó una plataforma web, MutCompute, para que esté disponible para un uso académico más amplio. Otros miembros del equipo son de ingeniería química: Natalie Czarnecki, Congzhi Zhu y Wantae Kim; y de biociencias moleculares: Daniel Acosta, Brad Alexander, Hannah O. Cole y Yan Jessie Zhang. El trabajo fue financiado por la división de investigación e ingeniería de ExxonMobil como parte de un acuerdo de investigación en curso con UT Austin.

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