Cómo reciclar plástico con enzimas

CRÉDITO: CESAR HERNANDEZ / CSIC

Los descubrimientos de que ciertos plásticos pueden descomponerse mediante enzimas, como las que se encuentran en la saliva de la larva de la polilla del gusano de cera (Galleria mellonella) que se muestran aquí, han impulsado el movimiento de reciclaje biológico.

Los científicos están rastreando sitios de basura en todo el mundo en busca de bacterias, hongos e incluso insectos que alberguen enzimas que podrían aprovecharse para descomponer varios polímeros. Aún es temprano, pero si los esfuerzos se pueden ampliar de manera eficiente, ese reciclaje biológico podría hacer mella en el problema de los desechos plásticos.

Por Sandy Ong 24.08.2023

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En una nublada mañana de primavera de 2012, Federica Bertocchini estaba atendiendo a sus abejas cerca de donde vivía en Santander, en la pintoresca costa norte de España. Uno de los panales “estaba plagado de gusanos”, dice el apicultor aficionado, refiriéndose a las molestas larvas de polillas de cera que tienen un apetito voraz y destructivo.

Bertocchini recogió los gusanos, los metió en una bolsa de plástico y continuó con sus tareas de apicultura. Cuando recuperó la bolsa unas horas más tarde, notó algo extraño: estaba llena de pequeños agujeros.

Se despertó el interés del científico. ¿Los gusanos hambrientos simplemente habían masticado el plástico o también habían cambiado su composición química? Pruebas rápidas en su laboratorio confirmaron, sorprendentemente, lo último: algo en la saliva de los gusanos había degradado el plástico. “A partir de ese momento comenzó la investigación”, dice Bertocchini, biólogo del desarrollo que anteriormente trabajó en el Consejo Superior de Investigaciones Científicas de España.

Ahora es cofundadora de Plasticentropy, una de las numerosas empresas emergentes y grupos de investigación que han surgido en los últimos años en busca de medios bioinspirados para reciclar plástico. Este reciclaje biológico, como se le llama, podría ofrecer alternativas más efectivas y respetuosas con el medio ambiente a algunos de los métodos de reciclaje plagados de problemas actuales.

El esfuerzo tiene a los científicos recorriendo vertederos, depósitos de automóviles y otros sitios repletos de contaminación plástica en busca de organismos que puedan descomponer el plástico en sus componentes. Al tomar estos microbios y mejorar sus capacidades para masticar polímeros en el laboratorio, los científicos esperan encontrar una manera eficiente de recuperar los componentes básicos de los plásticos. Luego usarían estas subunidades para fabricar nuevos materiales, creando así un ciclo de “reciclaje infinito”.

Aún es pronto y encontrar enzimas adecuadas para la tarea es sólo un primer paso. Pero el reciclaje biológico podría ser una herramienta valiosa para combatir el problema cada vez mayor de los plásticos.

"Hay grupos en todo el mundo trabajando en esto (cientos de grupos, miles de científicos). Es realmente sorprendente", dice el biólogo estructural John McGeehan, consultor en deconstrucción de plásticos que se especializa en el descubrimiento y la ingeniería de enzimas para el reciclaje de plástico.

Estos esfuerzos no podrían llegar lo suficientemente pronto. Desde que comenzó en serio la fabricación de plásticos en la década de 1950, la producción se ha disparado. Las estimaciones sugieren que producimos cerca de 460 millones de toneladas de plástico al año, equivalente al peso de aproximadamente 2,3 millones de ballenas azules.

Desafortunadamente, la mayor parte de ese plástico termina quemado, enterrado en vertederos o arrojado al medio ambiente. No es de extrañar que el plástico haya penetrado todos los rincones de nuestro planeta: desde las profundidades de los océanos hasta ambos polos, incluso cae bajo la lluvia. También está en nuestro cuerpo, con rastros reportados en placentas, leche materna y sangre humana; El uso y eliminación de plásticos se ha relacionado con varios problemas de salud y ambientales.

A pesar del omnipresente ícono de tres flechas en un bucle, la mayoría de los plásticos no se pueden reciclar e incluso aquellos que sí se pueden reciclar a menudo no lo son, como lo muestran estos datos de 2019 de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE). Según esta encuesta, Estados Unidos tiene la tasa de reciclaje de plástico más baja, apenas un 4 por ciento; a nivel mundial sólo el 9 por ciento se recicla. Los países de la OCDE se refieren a 38 naciones miembros que se encuentran principalmente en Europa, América del Norte y Asia.

A pesar de estos problemas, la demanda no ha disminuido y se prevé que la producción alcance más de 1.000 millones de toneladas para 2050. Esto se debe en gran medida a que los plásticos son difíciles de sustituir: el material es una delicia para los fabricantes: liviano y fácil de moldear, con posibilidades casi infinitas de propiedades. se puede imbuir de él.

Dado que reemplazar todos los plásticos no es realista, la siguiente mejor opción es producir menos material virgen a partir de combustibles fósiles y recuperar más de lo que ya existe. En otras palabras, aumentar las tasas mundiales de reciclaje de plástico desde su deprimente cifra actual de aproximadamente el 9 por ciento.

Las razones detrás de esa baja tasa son muchas: el plástico es difícil de descomponer; puede absorber sustancias químicas nocivas en el proceso de reciclaje; y existen miles de tipos de plástico, cada uno con su propia composición, aditivos químicos y colorantes. Muchos de estos tipos no se pueden reciclar juntos.

"Tenemos este importante problema de circularidad de los plásticos", dice Johan Kers, biólogo sintético y cofundador de la empresa de reciclaje enzimático Birch Biosciences, con sede en Oregón. “Podemos reciclar aluminio; podemos reciclar papel; pero no podemos, para salvar nuestras vidas, hacer un buen trabajo reciclando el plástico”.

El reciclaje biológico podría hacer mella en el problema de los plásticos. Implica el uso de enzimas (los caballos de batalla de la bioquímica que aceleran las reacciones) para descomponer los polímeros plásticos en sus subunidades, llamadas monómeros. Estos monómeros se pueden utilizar luego para fabricar nuevos plásticos.

"Lo bueno de las enzimas es que recuperas los componentes básicos", dice McGeehan. "Ese es un proceso potencialmente infinito, por lo que es realmente atractivo".

En una demostración a pequeña escala, los investigadores cortaron una película de tereftalato de polietileno (PET), un polímero comúnmente utilizado en botellas de spray y envases de bebidas, y utilizaron una versión diseñada de una enzima que se encuentra en una pila de abono para descomponer el PET en sus subunidades. (abajo). Algunas de esas subunidades fueron alimentadas a otro microbio que puede producir el biopolímero PHA (en el medio) o un bloque de construcción intermedio (púrpura). Con algo de química, ese intermedio se puede utilizar para fabricar otro biopolímero, el bioPU (arriba). El proceso aún no está completamente libre de químicos derivados de combustibles fósiles, pero es un paso hacia el aprovechamiento de los desechos plásticos para nuevos usos.

Este enfoque podría convertir los plásticos usados ​​en un recurso valioso, en lugar de una fuente de desechos, dice Ting Xu, científico de polímeros de la Universidad de California, Berkeley, quien coescribió una descripción general de los materiales híbridos biológicos y sintéticos en la Revista Anual de Física de 2013. Química.

La investigación sobre las enzimas que comen plástico se remonta al menos a la década de 1970, pero el campo se revitalizó en 2016, cuando un equipo de científicos japoneses publicó un artículo histórico en Science que describe una nueva cepa de bacterias que comen plástico. Dirigido por el microbiólogo Kohei Oda del Instituto de Tecnología de Kioto, el equipo descubrió que el microbio, llamado Ideonella sakaiensis 201-F6, utiliza plástico PET (un poliéster ampliamente utilizado en botellas de bebidas y fibras) como su principal fuente de energía y alimento.

Los investigadores encontraron el microbio en un sedimento recogido mientras revisaban minuciosamente 250 muestras ambientales que habían recolectado de una fábrica de reciclaje de botellas en las afueras de Osaka. Pruebas adicionales revelaron que I. sakaiensis podía descomponer casi por completo el PET en seis semanas.

Desde entonces, los científicos han descubierto microbios que se alimentan de plástico en varios lugares del mundo, incluido un montón de abono en un cementerio de Leipzig, Alemania; un vertedero de desechos en la capital de Pakistán, Islamabad; y escombros erosionados arrastrados por la marea en dos playas de Chania, Grecia. Un análisis a gran escala de más de 200 millones de genes encontrados en el ADN que flota libremente en entornos que incluyen los océanos, la capa superior del suelo de la tundra ártica, las sabanas y varios bosques arrojó 30.000 enzimas diferentes con potencial de degradación del plástico, informó un equipo en 2021.

Una cepa de bacterias del género Serratia (en la imagen) que los científicos aislaron del intestino del escarabajo oscuro Plesiophthalmus davidis puede descomponer el poliestireno y podría ser una buena candidata para tratar los desechos de poliestireno. Los escarabajos suelen alimentarse de madera podrida.

CRÉDITO: BK JUNG ET AL / REVISTA DE BIOTECNOLOGÍA 2017

Sin embargo, descubrir las enzimas es sólo el primer paso. Si bien muchos de los que ahora se están estudiando son de acción rápida y funcionan bien en condiciones leves, los científicos generalmente tienen que modificarlos para que funcionen mejor. Por ejemplo, McGeehan, junto con colegas del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Colorado y otros lugares, diseñaron dos enzimas responsables de la capacidad de comer plástico de I. sakaiensis para aumentar su rendimiento y luego las vincularon, creando un cóctel de enzimas que puede romper reducir el PET seis veces más rápido de lo que antes era posible.

Los científicos también están utilizando la inteligencia artificial para seleccionar atributos deseables en las enzimas que despolimerizan los plásticos más rápido, son menos exigentes con los sustratos objetivo y pueden soportar un rango más amplio de temperaturas.

Los primeros datos sugieren que el reciclaje biológico podría tener una huella de carbono menor que la fabricación de plásticos de nuevo. Por ejemplo, según una estimación para 2021, el uso de enzimas para descomponer el PET y obtener uno de sus monómeros, el ácido tereftálico (TPA), reduce las emisiones de gases de efecto invernadero hasta en un 43 por ciento en comparación con la fabricación de TPA desde cero.

Por supuesto, el PET es sólo uno de muchos tipos de plástico; generalmente se dividen en siete o más clases, dependiendo de factores como su estructura química. En un extremo de la escala se encuentran los plásticos con estructuras de carbono mixto: polímeros con una columna central que comprende carbono entrelazado con otros átomos como oxígeno y nitrógeno. Por ahora, estos plásticos son los más adecuados para el reciclaje biológico en gran medida porque las enzimas disponibles pueden masticar el tipo de enlace químico en esa columna vertebral de carbono mixto. Es “una especie de talón de Aquiles” para el material, afirma Andy Pickford, biofísico molecular de la Universidad de Portsmouth en el Reino Unido.

Los PET tienen esa columna vertebral: en este caso, carbono entrelazado con oxígeno. Los PET, que se encuentran comúnmente en textiles y botellas de refrescos y representan aproximadamente una quinta parte de los plásticos creados cada año, son un primer objetivo popular entre los recicladores biológicos y el más cercano a su implementación a escala comercial. La empresa francesa Carbios, por ejemplo, prevé abrir una planta de bioreciclaje en el norte de Francia en 2025, con el objetivo de reciclar 50.000 toneladas de residuos de PET al año.

La compañía está utilizando una enzima patentada identificada por primera vez en una pila de abono que los investigadores luego modificaron para mejorar su capacidad de romper los enlaces del PET y resistir las temperaturas más altas a las que el plástico se derrite y se vuelve blando. La enzima puede despolimerizar el 90 por ciento del PET en 10 horas, informaron en Nature en 2020 científicos de Carbios y su socio académico, el Instituto de Biotecnología de Toulouse.

Otra startup, Samsara Eco, con sede en Australia, planea lanzar una instalación similar de 20.000 toneladas en Melbourne en 2024 que también se centrará en PET.

Los plásticos incluyen una variedad de polímeros, muchos de los cuales son extremadamente difíciles de descomponer, gracias en parte a los fuertes enlaces entre sus átomos constituyentes y su estructura cristalina general. Generalmente, es más fácil descomponer los plásticos en subunidades reutilizables si la columna vertebral del polímero comprende carbono y algún otro átomo, como oxígeno o nitrógeno (abajo). Los polímeros con cadenas principales de carbono-carbono (arriba) siguen siendo extremadamente recalcitrantes.

Los plásticos con una composición química similar al PET, las poliamidas y los poliuretanos, también son objetivos prometedores para el reciclaje enzimático, ya que son intrínsecamente susceptibles a la degradación por enzimas, dice Pickford, cuyo equipo en Portsmouth trabaja con los tres tipos de plástico.

Además de PET, Samsara ahora trabaja con nailon, un tipo de poliamida sintética que se encuentra comúnmente en telas y textiles. En mayo, la firma anunció una asociación de varios años con la popular marca deportiva Lululemon para producir “la primera prenda de nailon y poliéster infinitamente reciclada” del mundo a partir de ropa desechada.

Los investigadores también están investigando los poliuretanos, que representan aproximadamente el 8 por ciento, o 25 millones de toneladas, del pastel mundial de plásticos y son comunes en espumas como cojines de muebles y en pañales, esponjas y zapatillas de deporte. Varios microbios pueden degradar algunos tipos de poliuretanos y el equipo de Kers en Birch Biosciences se ha centrado en unas 50 enzimas diferentes que se alimentan de poliuretano para realizar pruebas, pero los polímeros son un grupo estructuralmente diverso y probablemente requerirán estrategias diversas.

Si bien el reciclaje enzimático parece prometedor para los plásticos con estructuras mixtas, las perspectivas no son tan halagüeñas para aquellos que se encuentran en el otro extremo de la escala: los plásticos con estructuras de carbono puro. Se trata de un grupo ecléctico que incluye cloruro de polivinilo (PVC), alcohol polivinílico (PVA), poliestireno y polietileno, que se utiliza para fabricar la omnipresente bolsa de plástico. El reciclaje biológico de estos plásticos es mucho más complicado, afirma Pickford. “En cierto modo, son un poco grasosos para las enzimas. En realidad, no hay mucho de qué asirse para una enzima”.

Aún así, algunos científicos están trabajando en estos plásticos recalcitrantes, entre ellos el español Bertocchini. “Por alguna razón, opté por bolsas de plástico, que son a base de polietileno”, dice. El polietileno, que también se utiliza comúnmente en películas para empaquetar alimentos y contenedores de comida para llevar, es, con diferencia, la clase más grande de plásticos que se fabrican en la actualidad y representa más del 25 por ciento del mercado. Una década después de su fortuito descubrimiento, Bertocchini y su equipo de Plasticentropy identificaron las enzimas que degradan el plástico en la saliva del gusano de cera y las llamaron Demetra y Ceres. Las enzimas degradan el polietileno en cuestión de horas a temperatura ambiente introduciendo oxígeno en la cadena principal de carbono.

Las enzimas que se encuentran en los insectos pueden ser la clave para estos plásticos más resistentes. El microbiólogo Chris Rinke de la Universidad de Queensland en Australia, que trabaja con poliestireno, que se encuentra comúnmente en envases de comida para llevar y cubiertos desechables, se encuentra entre los científicos que analizan las larvas de insectos, que tienen piezas bucales duras que las hacen “muy buenas para masticar cosas”. y descomponerlos en partículas más pequeñas. "Luego, los microbios del intestino toman la información desde allí", dice Rinke.

Rinke se encontró con la larva de un escarabajo llamado Zophobas morio, apodado el supergusano, que descompone el poliestireno mediante un proceso doble: triturar mecánicamente el plástico en trozos más pequeños, lo que lo "envejece" introduciendo átomos de oxígeno, y luego despolimerizar esos trozos usando materiales especiales. enzimas intestinales bacterianas que aún no se han identificado.

Las larvas de un escarabajo oscuro (Zophobas morio), conocidos como supergusanos, pueden comer poliestireno gracias a una enzima bacteriana aún no identificada en el intestino del gusano.

CRÉDITO: LA UNIVERSIDAD DE QUEENSLAND

Pero algunos expertos son menos optimistas sobre las perspectivas del reciclaje biológico, especialmente en lo que respecta a los plásticos cuya columna vertebral es más difícil de romper. "Aún no estoy convencido de que las poliolefinas como el polietileno, el polipropileno y el PVC sean algún día objetivos realistas para el reciclaje enzimático a escala", afirma Pickford. “Ha habido algunas observaciones interesantes, pero convertirlas en un proceso industrial será extremadamente difícil. Espero estar equivocado”.

Hay indicios de progreso para el PVC, pero por ahora el frágil plástico, junto con sus primos PVA y ácido poliláctico (PLA), sigue siendo en gran medida invencible para las enzimas. En tales casos, podría ser más factible pasar a crear nuevos plásticos que sean reciclables, dice Pickford.

Sin embargo, los hallazgos siguen llegando: en 2020, un equipo de Corea del Sur informó sobre una bacteria intestinal, Serratia fonticola, que confería capacidad de digestión de poliestireno a las larvas de un escarabajo negro llamado Plesiophthalmus davidis. Otro grupo informó haber encontrado dos cepas de hongos adaptadas al frío (Lachnellula y Neodevriesia, aisladas del suelo alpino y de la costa ártica, respectivamente) que podrían descomponer ciertos tipos de plástico biodegradable, incluido el PLA.

Aun así, las enzimas son sólo una parte de la batalla. No está claro qué tan fácil sería ampliar los procesos que aprovechan estas enzimas y cómo sería esa huella ambiental ampliada.

"Creo que nunca habrá una solución para todo esto", dice Vanessa Vongsouthi, jefa de ingeniería de proteínas y fundadora de investigación de Samsara Eco. "Tenemos que trabajar en el reciclaje avanzado, pero además de eso, la política, el rediseño de productos, la reutilización e incluso la eliminación... son todos parte de un panorama más amplio".

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Se están preparando algunos cambios de política. Las Naciones Unidas están preparadas para crear el primer tratado global sobre contaminación plástica del mundo en 2024. Su objetivo es frenar la contaminación plástica y se espera que introduzca nuevas reglas para la producción y el diseño de productos plásticos para facilitar el reciclaje, entre otras medidas. Y el año siguiente, en Washington, California y la Unión Europea entrarán en vigor leyes que exigen que el 25 por ciento del material de los envases de plástico y las botellas de bebidas sea plástico reciclado. Pero sin cambios e incentivos adicionales, esos esfuerzos pueden ser una gota en el mar. Mientras el plástico virgen siga siendo barato debido al bajo precio de los combustibles fósiles, es posible que las enzimas biológicas no puedan competir.

"El principal problema es el costo", dice McGeehan. "Los plásticos derivados de fósiles son realmente baratos porque se fabrican a gran escala en un mercado global que está muy maduro". Tampoco ayuda que algunos gobiernos sigan incentivando la producción de plásticos de esta manera, afirma. "Necesitamos realmente cambiar nuestra forma de pensar y comenzar a incentivar el PET u otros procesos biodegradables de la misma manera que la industria del petróleo y el gas se benefició en el pasado".

McGeehan sigue siendo optimista en cuanto a que una vez que la tecnología de reciclaje biológico mejore, rápidamente será lo suficientemente rentable como para competir con el plástico virgen. Hasta entonces, investigadores como Bertocchini seguirán trabajando. Dejó sus queridas colmenas cuando se mudó a Madrid en 2019, pero hoy continúa ampliando el portafolio de enzimas de su firma con larvas de polillas y mariposas. Las enzimas no solucionarán todo el problema de los plásticos, afirma, “pero esto es un comienzo”.

Nota del editor: esta historia se actualizó el 25 de agosto de 2023 para aclarar que las enzimas de los insectos que ayudan a descomponer ciertos plásticos podrían tener un origen microbiano.

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Sandy Ong es una escritora científica que vive en Singapur. Encuéntrala en Twitter @sandyong_yx.

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