Compreendendo a tecnologia de reciclagem de enzimas: as superenzimas que destroem o plástico podem resolver a crise do plástico?

A cada ano, aproximadamente 150 milhões de toneladas de plástico são depositadas em aterros sanitários ou lançadas no meio ambiente, com mais de 8 milhões de toneladas fluindo para os oceanos através dos rios. A maior parte desse plástico não se decompõe completamente, mas se decompõe em microplásticos. Esses microplásticos são encontrados não apenas na água do mar, mas também são ingeridos pela vida marinha e até mesmo entram no sistema digestivo humano. A poluição plástica se tornou um dos problemas ambientais mais graves que a humanidade enfrenta, e os pesquisadores trabalham incansavelmente para encontrar soluções para esse problema urgente.

Visão geral da engenharia enzimática

Ao entrar no século XXI, a humanidade avançou desde a compreensão fundamental da vida do século XX, entrando na era pós-genômica. Esta era se concentra na exploração do cerne dos fenômenos da vida, examinando a estrutura e a função dos genomas e seus produtos proteicos, integrando todo o conhecimento biológico para estabelecer uma estrutura unificada de biologia geral.

A engenharia enzimática, um componente crucial da biotecnologia, envolve o uso de enzimas como catalisadores em biorreatores específicos para facilitar a transformação de materiais. Suas aplicações abrangem diversos campos, incluindo indústria, medicina, agricultura, análise química, proteção ambiental, desenvolvimento energético e ciências biológicas teóricas.

No controle da poluição, a tecnologia enzimática tem se mostrado vital. A peroxidase de raiz-forte catalisa a oxidação de compostos aromáticos tóxicos na presença de peróxido de hidrogênio, formando precipitados insolúveis. A lignina peroxidase degrada compostos aromáticos e oxida hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. A lacase remove fenóis tóxicos e as lipases microbianas são utilizadas na biorremediação de derramamentos de óleo e resíduos contendo lipídios.

Enquanto isso, a indústria de engenharia de enzimas tem experimentado um rápido crescimento. Em 1998, as vendas globais de enzimas industriais atingiram US$ 1,6 bilhão, com projeções indicando que, até 2008, as vendas subiriam para US$ 3 bilhões.

O alvorecer da reciclagem de PET baseada em enzimas: degradação dupla por bactérias do solo

Os plásticos são compostos por polímeros de cadeia longa, categorizados principalmente em termoplásticos e plásticos termofixos. Os termoplásticos amolecem em altas temperaturas e endurecem ao resfriar, tornando-os recicláveis, embora sua qualidade diminua com a reciclagem. Os plásticos termofixos, uma vez aquecidos e curados, são quase impossíveis de reciclar.

O tereftalato de polietileno (PET) é um termoplástico amplamente utilizado, feito de ácido tereftálico derivado do petróleo (TPA) e etilenoglicol (EG). A produção global de PET aumentou de aproximadamente 58 milhões de toneladas em 2021 para 62 milhões de toneladas em 2023, com projeções de atingir 72 milhões de toneladas até 2025. A versatilidade do PET permite que ele seja fabricado em materiais transparentes, opacos ou brancos, dependendo de sua estrutura cristalina e tamanho de partícula. É comumente usado na produção de fibras para roupas e recipientes, como garrafas de água, e também pode ser moldado em diversos produtos de embalagem, como blisters.

O desenvolvimento de tecnologias eficientes de despolimerização de PET é um marco fundamental para alcançar a verdadeira reciclagem do plástico e promover a proteção ambiental. A biodegradação do PET tem atraído atenção significativa devido à presença de diversas esterases na natureza, capazes de decompor ésteres em ácidos e álcoois.

Em 2012, pesquisadores da Universidade de Osaka, no Japão, descobriram uma enzima que degrada o PET no composto, conhecida como cutinase de composto foliar (LLC). Embora a LLC possa romper as ligações químicas do PET, ela é instável a 65 °C e se degrada em poucos dias, limitando sua aplicação industrial. A despolimerização eficaz do PET requer que as enzimas permaneçam estáveis ​​em altas temperaturas.

Em 2016, Yoshida e colegas identificaram uma bactéria do solo, Ideonella sakaiensis 201-F6, a partir de sedimentos contaminados com PET perto de uma instalação de reciclagem de plástico no Japão. I. sakaiensis é uma bactéria Gram-negativa, aeróbica, capaz de utilizar PET como sua principal fonte de carbono e energia. Ela emprega um sistema enzimático duplo para degradar o PET: a PETase hidrolisa o PET em BHET, MHET e TPA e, subsequentemente, a MHETase converte o MHET em TPA e EG, alcançando a degradação completa do PET.

Avanços recentes na degradação enzimática do PET

Degradação aprimorada com mutantes de PETase

Pesquisas recentes demonstraram que mutantes da PETase apresentam capacidades de degradação de PET significativamente aprimoradas. A PETase, estruturalmente semelhante à cutinase que decompõe a cutina, demonstrou, por meio de análise da estrutura cristalina e testes bioquímicos, possuir um sítio ativo aberto e seguir o mecanismo catalítico das serina hidrolases. Cientistas desenvolveram um mutante duplo da PETase, que apresenta atividade de degradação de PET significativamente aprimorada no centro catalítico. Ao contrário da PETase selvagem, que requer centenas de anos para degradar o PET em ambientes naturais, esta mutante pode decompor o plástico em poucos dias.

Melhorando a eficiência com sistemas de enzima dupla

Estudos indicam que a adição de MHETase à reação aumenta significativamente as taxas de degradação do PET, com misturas enzimáticas degradando o PET duas vezes mais rápido do que a PETase isoladamente. Experimentos demonstraram que o aumento das concentrações de PETase e MHETase aumenta significativamente as taxas de degradação do PET, sugerindo que a reação é limitada pela concentração da enzima e não pelo substrato. Análises de efeito sinérgico revelam ainda que a presença de MHETase melhora significativamente as taxas gerais de degradação, mesmo em concentrações mais baixas de PETase. A proporção ideal de PETase para MHETase ainda é indeterminada.

Inovação em superenzimas triplica a velocidade de degradação

Em experimentos recentes, pesquisadores desenvolveram uma "superenzima" fundindo MHETase e PETase em uma única proteína quimérica de cadeia longa. Essa superenzima supera tanto a PETase quanto a MHETase individualmente na degradação do PET e pode degradar com eficácia o polietileno furanoato (PEF), um bioplástico usado em garrafas de cerveja. O desempenho superior da proteína quimérica triplicou a taxa de degradação do PET e do PEF, convertendo-os em monômeros em poucos dias. Essa inovação promete reciclagem e reutilização ilimitadas de plásticos, reduzindo a dependência de recursos fósseis.

Além disso, um avanço em 2020 levou à descoberta de uma nova enzima capaz de degradar PET com eficácia em apenas 10 horas. Pesquisadores avaliaram diversas bactérias e enzimas, incluindo a cutinase de composto de ramos foliares (LLC), descoberta em 2012, resultando em centenas de mutantes de hidrolase de PET. Um mutante selecionado demonstrou uma eficiência de degradação de PET 10.000 vezes maior do que a LLC natural e permaneceu estável a 72 °C, próximo à temperatura de fusão do PET. Este avanço estabelece as bases para a reciclagem infinita de PET e está atualmente em fase de produção piloto.

Perspectivas de comercialização da reciclagem baseada em enzimas

Na natureza, os microrganismos degradam eficientemente polímeros naturais como celulose e quitina por meio de sistemas enzimáticos sinérgicos que evoluíram ao longo do tempo para otimizar a degradação. Algumas bactérias do solo, como Ideonella sakaiensis, apresentam características evolutivas semelhantes e podem processar substratos de poliéster usando um sistema de dupla enzima. No entanto, a comercialização dessa tecnologia de superenzimas ainda enfrenta vários desafios.

A Wankai New Materials Co., Ltd., empresa líder na indústria de PET para garrafas, está na vanguarda da produção global. A empresa não está apenas comprometida com a fabricação sustentável, mas também expandindo ativamente seus negócios de reciclagem de PET. Sua controladora, o Grupo Zhink, firmou uma parceria estratégica de longo prazo com a francesa  A CARBIOS alavancará sua tecnologia avançada de degradação enzimática. Esta colaboração visa estabelecer a primeira unidade de bioreciclagem de PET em escala industrial da China, com capacidade de 50.000 toneladas por ano. Espera-se que esta iniciativa aumente significativamente a competitividade da Wankai em sustentabilidade e impulsione a comercialização de tecnologias de reciclagem baseadas em enzimas.

Conclusão

Microrganismos e suas enzimas oferecem novas possibilidades para a reciclagem de plástico, mas nossa compreensão desses processos ainda está em estágios iniciais. Com os plásticos derivados principalmente de combustíveis fósseis e o agravamento da poluição ambiental, soluções eficazes são cruciais. A chave para resolver esse problema está na ampliação da redução de plásticos aos seus componentes monoméricos. Felizmente, a sabedoria evolutiva da natureza e a inovação científica trazem novas esperanças, potencialmente servindo como avanços no combate à poluição plástica.