Bacteris que “mengen” plàstic

27 novembre 2018

Click here for the English version: Plastic-eating bacteria

Oceans de plàstic

Els humans estem destrossant el planeta Terra. A banda del canvi climàtic (que encara hi han ignorants que no s’ho creuen), l’exhauriment dels recursos naturals i l’extinció massiva d’espècies animals i vegetals, un dels efectes més “vistosos” és el cobriment del planeta amb deixalles. Com que el 71% de la superfície és marina, la majoria dels residus que no es degraden acaben al mar, i com sabeu, als oceans ja hi ha grans extensions cobertes de residus surants, sobretot plàstics, anomenades “illes de plàstic” (Figura 1). En el cas de la zona centre nord del Pacífic, on conflueixen diferents corrents marines, la “illa” arriba a fer 1500 km de radi, i amb plàstics fins a 200 m de fondària, i segueix creixent. Podeu llegir-ne més, i sobre les conseqüències ambientals, a l’article Sopa de plàstic del Pacífic de la Wikipedia.

Figura 1. Petita part de la illa de plàstic del Pacífic nord (Tret de oceanandreserveconservationalliance.com)

 

Els plàstics PET

Encara que hi molts tipus de plàstics, un dels més utilitzats i més abundant a les deixalles i a les “illes de plàstic” és el politereftalat d’etilè (o polietilè terfetalat), conegut com a PETo PETE (Figura 2). És un tipus de polímer termoplàstic, vulgarment plàstic, que pertany als denominats polièsters, i s’obté per síntesi a partir del petroli. És innocu, molt resistent i lleuger i té múltiples aplicacions (Figura 3). Només d’ampolles de PET per a begudes refrescants es calcula que se’n venen al món 1 milió per minut. És un material reciclable (vegeu Pet bottle recycling a Wikipedia) però molt resistent a la biodegradació. A la natura pot durar alguns centenars d’anys.

Figura 2. El PET, politereftalat d’etilè.

 

Figura 3. Les múltiples aplicacions del PET (Tret de http://www.technologystudent.com).

 

El bacteri Ideonella sakaiensis es “menja” el PET

I. sakaiensis (Figura 4) és un bacteri en forma de bacil, gram-negatiu no esporulat aeròbic heteròtrof, mòbil amb un flagel, i catalasa (+) i oxidasa (+) (Tanasupawat et al 2016). Creix a pHs neutres i és mesòfil, amb òptim a 30-37ºC. Pertany al grup filogenètic dels betaproteobacteris, que inclou entre molts altres als coneguts Neisseria (gonorrea i meningitis) i el nitrificant Nitrosomonas.

Figura 4. Ideonella sakaiensis, imatge al microscopi electrònic de rastreig en fals color (Treta de Yoshida et al 2016).

 

La soca201-F6, la primera de la nova espècie I. sakaiensis, fou aïllada d’un abocador i identificada el 2016 per un grup japonès de l’Institut de Tecnologia de Kyoto que cercaven bacteris que utilitzessin el plàstic com a font de carboni, a partir de mostres de restes d’ampolles de PET (Yoshida et al 2016). Van veure que aquest bacteri s’adhereix a un film de PET de baix grau i el pot degradar, mitjançant dos enzims que van caracteritzar: una PETasa i una MHETasa, que acaben donant com a productes àcid tereftàlic i etilenglicol (Figura 5), que són substàncies ambientals benignes i que el bacteri pot metabolitzar. Una colònia de I. sakaiensis va degradar del tot una ampolla de PET de baix grau en 6 setmanes. Els productes PET d’alt grau requereixen ser escalfats per afeblir-los abans que el bacteri pugui degradar-los. Aquest és el primer bacteri trobat com a degradador de PET, i l’utilitza com a única font de carboni i d’energia. Donat que el PET només existeix des de fa 70 anys, aquest bacteri hauria d’haver evolucionat en aquest breu període fins arribar a poder-lo degradar en poques setmanes, enlloc dels centenars d’anys a la natura (Sampedro 2016).

Figura 5. Ruta metabòlica prevista de la degradació de PET per I. sakaiensis: la PETasa extracel·lular hidrolitza el PET donant monohidroxietil tereftàlic (MHET) i l’àcid tereftàlic (TPA). La MHETasa hidrolitza el MHET a TPA i etilenglicol (EG). El TPA és incorporat mitjançant un transportador de TPA (TPATP) i és catabolitzat a ciclohexadiè i aquest a protocatecuïc (PCA) per la DCDDH. Finalment, l’anell del PCA és tallat per una PCA 3,4 dioxigenasa amb oxigen, com és conegut a la degradació dels compostos fenòlics i altres xenobiòtics. Els n. entre parèntesis són els ORF dels gens corresponents (Tret de Yoshida et al 2016).

 

Només es coneixien prèviament alguns microfongs tropicals (Fusarium solani) degradadors del PET, que també excreten esterases. En aquest cas, aquests Fusarium serien utilitzats per modificar el teixit de polièster, per aconseguir teixits més hidrofílics i més fàcils de treballar (Nimchua et al 2008). Cal recordar l’assemblança estructural dels teixits de PET, roba de fibra sintètica (Figura 3), als de fibra natural com el cotó, ja que aquests contenen cutina, que és un polièster de les parts externes de les plantes. Per tant, els enzims de Fusarium o Ideonella deuen ser relativament semblants als que ja hi eren a la natura molt abans d’inventar-se els plàstics.

 

Recent millora genètica de l’enzim PETasa de Ideonella sakaiensis

Per tal d’entendre millor el funcionament i l’especificitat de la PETasa, recentment un grup d’investigadors nord-americans i britànics han caracteritzat l’estructura de la PETasa (Austin et al 2018), sobretot per cristal·lografia de raigs X d’alta resolució, comparant-la amb una cutinasa homòloga, obtinguda de l’actinobacteri Thermobifida fusca. Les principals diferències entre les dues han estat una major polarització en la superfície de la PETasa (pI 9.6) que en la cutinasa (pI 6.3), i per altra banda, com veiem (Figura 6), una amplada més gran de la fissura del lloc actiu en el cas de la PETasa de I. sakaiensis. Això podria ser per acomodar-hi més fàcilment els polièsters aromàtics com el PET.

Figura 6. Estructures comparades (esquerra) de la PETasa de I. sakaiensis (dalt) i de la cutinasa de l’actinobacteri Thermobifida fusca (baix), obtingudes per cristal·lografia de raigs X d’alta resolució (0.92 Å). La fissura del lloc actiu està senyalada amb un cercle puntejat vermell. Detalls (dreta) del lloc actiu amb diferents amplades de la fissura a la PETasa de I. sakaiensis (dalt) i de la cutinasa de T. fusca (baix) (Tret de Austin et al 2018).

 

Amb la hipòtesi que l’estructura d’aquest lloc actiu de la PETasa hauria resultat de l’evolució d’una semblant a la cutinasa en un ambient amb PET, Austin et al (2018) van procedir a fer mutacions en el lloc actiu de la PETasa per fer-lo més semblant al de la cutinasa i van obtenir un doble mutant S238F/W159H que teòricament faria més estreta l’entrada del lloc actiu (Figura 6). Però la seva sorpresa va ser majúscula quan van veure que el mutant degradava millor el PET (una millora del 20%), amb una erosió del film de PET (Figura 7 C) encara més gran que la PETasa original (Figura 7 B). Van veure que l’explicació era que els canvis de residus (aminoàcids) del mutant afavorien l’encaix del PET al lloc actiu, malgrat fer-ne la fissura més estreta (Austin et al 2018).

Figura 7. Imatges de microscòpia electrònica de rastreig d’un retall de PET sense microorganismes (A), amb incubació 96 h de la PETasa de la soca I. sakaiensis 201-F6 (B) i de la PETasa del doble mutant S238F/W159H (C) (Tret de Austin et al 2018).

 

A més, aquests autors han vist que aquesta PETasa degrada també altres polièsters semiaromàtics semblants, com el poletilè-2,5-furandicarboxilat (PEF), i per tant aquest enzim pot ser considerat una poliesterasa aromàtica, però no degrada els alifàtics.

La conclusió del seu treball és que l’enginyeria de proteïnes és factible per millorar el rendiment de la PETasa i que cal seguir aprofundint en el coneixement de les relacions entre estructura i activitat per a la biodegradació dels polièsters sintètics (Austin et al 2018).

 

Altres menja-plàstics ?

La descoberta de I. sakaiensis ha tingut molta importància per la possibilitat d’establir un procés de reciclat ràpid del PET, però no és el primer organisme que s’hagi trobat com a consumidor de plàstics. Per cert, veiem les fórmules dels principals plàstics derivats del petroli a la Figura 8.

Figura 8. Fórmules dels plàstics derivats del petroli més usuals: polietilè (PE), clorur de polivinil (PVC), polipropilè (PP), poliestirè (PS), politereftalat d’etilè (PET o PETE) i poliuretà (PU) (Tret de Shah et al 2008).

 

Doncs bé, repassant la bibliografia, veiem que s’han descrit força casos de microorganismes degradadors de plàstics (Shah et al 2008), sobretot de polietilè, poliuretà i PVC: diversos Pseudomonas, Rhodococcus i Comamonas entre els bacteris, i alguns Penicillium, Fusarium i Aspergillus entre els fongs.

Entre els degradadors de poliuretà destaquen els fongs (Howard 2002), i sobretot l’endòfit de plantes Pestalotiopsis microspora, que pot consumir poliuretà com a única font de carboni (Russell et al 2011).

D’altra banda, és força coneguda la capacitat dels cucs o larves dels escarabats de la farina, els Tenebrio molitor, per mastegar i degradar l’espuma de poliestirè (Yang et al 2015). Alimentades només amb el PS, aquestes larves el degraden completament en uns temps relativament curts. La degradació del PS, com era d’esperar, la fan els bacteris intestinals de l’animal (Figura 9), com s’ha demostrat en aturar-se la degradació quan s’administra antibiòtic a la larva (Yang et al 2015). Un dels bacteris aïllats que s’ha demostrat degradador del PS és Exiguobacterium, un bacil·lal, però no és l’únic. De fet, en fer estudis de metagenòmica de l’intestí de les larves quan mengen PS, s’ha trobat una gran varietat de bacteris, i que aquests varien en funció del plàstic, ja que també s’ha vist la degradació de polietilè. Alguns dels bacteris amb DNA trobat com a predominant serien els enterobacteris Citrobacter i Kosakonia. Sembla que la microbiota intestinal de Tenebrio es modifica i adapta als diferents plàstics ingerits (Brandon et al 2018).

Figura 9. Biodegradació del poliestirè pels bacteris intestinals de Tenebrio, el cuc de la farina (Yang et al 2015).

 

Per acabar, com veiem la biodegradació microbiana de plàstics en principi no biodegradables o recalcitrants no ens hauria d’estranyar, ja que per un costat, hi ha “plàstics” naturals com el polihidroxibutirat o l’àcid polilàctic que són fàcilment degradables (Shah et al 2008), i d’altra banda la capacitat adaptativa dels microorganismes per poder arribar a trencar els enllaços químics més recalcitrants és molt gran. Els microbis evolucionen ràpidament, i adquireixen estratègies millors per poder trencar els plàstics fets pels humans (Patel 2018). Ho hem vist en aquest cas de la degradació del PET, que en menys de 70 anys que fa que existeix, alguns microbis ja han trobat la manera d’aprofitar-lo.

El problema segueix sent que estem generant massa quantitat de residus plàstics en molt poc temps i els microorganismes no han tingut temps encara per poder degradar-los. És evident que haurem d’ajudar als nostres companys microbis, no generant més polímers tan poc degradables, i reciclant-los i degradant-los, entre altres maneres, utilitzant aquests mateixos microbis degradadors.

 

Bibliografia

Austin HP et al (2018) Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase. Proc Nat Acad Sci 115, 19, E4350-E4357

Brandon AM et al (2018) Biodegradation of Polyethylene and Plastic Mixtures in Mealworms (Larvae of Tenebrio molitor) and Effects on the Gut Microbiome.Environ Sci Technol 52, 6526-6533

Griggs MB (2017 april 24) These caterpillars chow down on plastic bags. Popular Science. http://www.popsci.com

Howard GT (2002) Biodegradation of polyurethane: a review. Int Biodeterior Biodegrad 42, 213-220

https://en.wikipedia.org/wiki/Great_Pacific_garbage_patch

https://en.wikipedia.org/wiki/PET_bottle_recycling

https://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_terephthalate

Patel NV (2018 april 17) Scientists stumbled upon a plastic-eating bacterium – then accidentally made it stronger. Popular Science. http://www.popsci.com

Russell JR et al (2011) Biodegradation of polyester polyurethane by endophytic fungi. Appl Environ Microbiol 77, 17, 6076-6084

Sampedro J (2016 marzo 10) Descubierta una bacteria capaz de comerse un plástico muy común. El País

Shah AA et al (2008) Biological degradation of plastics: a comprehensive review. Biotechnol Adv 26, 246-265

Tanasupawat et al (2016) Ideonella sakaiensis sp. nov., isolated from a microbial consortium that degrades poly(ethylene terephtalate). Int J Syst Evol Microbiol 66, 2813-2818

Yang et al (2015) Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating mealworms: Part 2. Role of gut microorganisms. Environ Sci Technol 49, 12087-12093

Yoshida et al (2016) A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science 351,1196–1199