Enzima comedora de plástico pode turbinar a reciclagem e eliminar bilhões de toneladas de resíduos de aterros sanitários

Timelapse da degradação do plástico. Uma nova variante de enzima pode quebrar plásticos que normalmente levam séculos para se degradar em questão de horas ou dias.

Uma nova variante de enzima pode quebrar plásticos que estrangulam o meio ambiente que normalmente levam séculos para se degradar em questão de horas ou dias. Foi criado por engenheiros químicos e cientistas da Universidade do Texas em Austin

Esta descoberta, publicada em 27 de abril de 2022, na revista Natureza, poderia ajudar a resolver um dos maiores problemas ambientais do mundo: o que fazer com os bilhões de toneladas de resíduos plásticos que se acumulam em aterros sanitários e poluem nossas terras e águas naturais. A enzima tem o potencial de sobrecarregar a reciclagem em grande escala, o que permitiria que as principais indústrias reduzissem seu impacto ambiental recuperando e reutilizando plásticos em nível molecular.

“As possibilidades são infinitas em todos os setores para alavancar esse processo de reciclagem de ponta”, disse Hal Alper, professor do Departamento de Engenharia Química McKetta da UT Austin. “Além da óbvia indústria de gerenciamento de resíduos, isso também oferece às empresas de todos os setores a oportunidade de liderar a reciclagem de seus produtos. Por meio dessas abordagens enzimáticas mais sustentáveis, podemos começar a vislumbrar uma verdadeira economia circular de plásticos”.

Inclui timelapse de degradação de plástico em um período de 48 horas. Crédito: The University of Texas at Austin / Cockrell School of Engineering

O projeto se concentra no tereftalato de polietileno (PET), um polímero significativo encontrado na maioria das embalagens de consumo, incluindo embalagens de biscoitos, garrafas de refrigerante, embalagens de frutas e saladas e certas fibras e tecidos. Representa 12% de todo o lixo global.

A enzima foi capaz de completar um “processo circular” de quebrar o plástico em partes menores (despolimerização) e depois juntá-lo quimicamente (repolimerização). Em alguns casos, esses plásticos podem ser totalmente decompostos em monômeros em menos de 24 horas.

Pesquisadores da Escola de Engenharia Cockrell e da Faculdade de Ciências Naturais usaram um modelo de aprendizado de máquina para gerar novas mutações em uma enzima natural chamada PETase, que permite que as bactérias degradem plásticos PET. O modelo prevê quais mutações nessas enzimas atingiriam o objetivo de despolimerizar rapidamente resíduos plásticos pós-consumo em baixas temperaturas.

Por meio desse processo, que incluiu o estudo de 51 embalagens plásticas pós-consumo diferentes, cinco fibras e tecidos de poliéster diferentes e garrafas de água, todas feitas de PET, os pesquisadores comprovaram a eficácia da enzima, que estão chamando de FAST-PETase (funcional, ativa , PETase estável e tolerante).

“Este trabalho realmente demonstra o poder de reunir diferentes disciplinas, da biologia sintética à engenharia química e à inteligência artificial”, disse Andrew Ellington, professor do Centro de Sistemas e Biologia Sintética, cuja equipe liderou o desenvolvimento do modelo de aprendizado de máquina.

A reciclagem é a maneira mais óbvia de reduzir o desperdício de plástico. Mas globalmente, menos de 10% de todo o plástico foi reciclado. O método mais comum para descartar o plástico, além de jogá-lo em um aterro, é queimá-lo, que é caro, consome muita energia e lança gases nocivos no ar. Outros processos industriais alternativos incluem processos muito intensivos em energia de glicólise, pirólise e/ou metanólise.

As soluções biológicas consomem muito menos energia. A pesquisa sobre enzimas para reciclagem de plástico avançou nos últimos 15 anos. No entanto, até agora, ninguém havia conseguido descobrir como fazer enzimas que pudessem operar eficientemente em baixas temperaturas para torná-las portáteis e acessíveis em grande escala industrial. FAST-PETase pode realizar o processo a menos de 50 graus[{” attribute=””>Celsius.

Up next, the team plans to work on scaling up enzyme production to prepare for industrial and environmental application. The researchers have filed a patent application for the technology and are eying several different uses. Cleaning up landfills and greening high waste-producing industries are the most obvious. But another key potential use is environmental remediation. The team is looking at a number of ways to get the enzymes out into the field to clean up polluted sites.

“When considering environmental cleanup applications, you need an enzyme that can work in the environment at ambient temperature. This requirement is where our tech has a huge advantage in the future,” Alper said.

Reference: “Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization” by Hongyuan Lu, Daniel J. Diaz, Natalie J. Czarnecki, Congzhi Zhu, Wantae Kim, Raghav Shroff, Daniel J. Acosta, Bradley R. Alexander, Hannah O. Cole, Yan Zhang, Nathaniel A. Lynd, Andrew D. Ellington and Hal S. Alper, 27 April 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04599-z

Alper, Ellington, associate professor of chemical engineering Nathaniel Lynd and Hongyuan Lu, a postdoctoral researcher in Alper’s lab, led the research. Danny Diaz, a member of Ellington’s lab, created the machine learning model. Other team members include from chemical engineering: Natalie Czarnecki, Congzhi Zhu and Wantae Kim; and from molecular biosciences: Daniel Acosta, Brad Alexander, Yan Jessie Zhang and Raghav Shroff. The work was funded by ExxonMobil’s research and engineering division as part of an ongoing research agreement with UT Austin.