La proteína capaz de filtrar y degradar plásticos

Un grupo de científicos del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC (ICP-CSIC), en colaboración con equipos del Barcelona Supercomputing Center-Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) y de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), ha creado proteínas sintéticas capaces de descomponer microplásticos de tereftalato de polietileno (PET), uno de los plásticos más comunes presente en numerosos envases y botellas.

Esta innovación permite la descomposición o el reciclaje de estos microplásticos, y se basa en la modificación de una proteína de defensa de la anémona de fresa (Actinia fragacea) a través de métodos computacionales. Los resultados de este avance se han publicado en la revista Nature Catalysis.

Cada año se producen aproximadamente 400 millones de toneladas de plástico en todo el mundo, con un incremento anual del 4%. Las emisiones relacionadas con su fabricación son uno de los factores que contribuyen al cambio climático, y la presencia generalizada de plásticos en los ecosistemas provoca graves problemas medioambientales.

Con el tiempo, el PET o tereftalato de polietileno se va desgastando y se convierte en partículas más pequeñas conocidas como microplásticos, agravando así los problemas medioambientales. El PET ya representa más del 10% de la producción global de plásticos, y su reciclaje es insuficiente y poco eficaz.

"Lo que hemos hecho es similar a añadir nuevas capacidades a una herramienta polivalente", explica Víctor Guallar, profesor ICREA en el BSC-CNS y uno de los responsables de la investigación. Estas capacidades adicionales se basan en la adición de tres aminoácidos que funcionan como unas tijeras capaces de cortar las pequeñas partículas de PET.

En este caso, se han incorporado a una proteína de la anémona Actinia fragacea, la cual no posee esta función de manera natural y, en su entorno natural, funciona como un mecanismo de defensa tipo taladro celular, abriendo poros.

El aprendizaje automático y la potencia de los superordenadores utilizados en este proceso de ingeniería de proteínas permiten predecir dónde se unirán las partículas y dónde deben colocarse los nuevos aminoácidos para que realicen su función.

La estructura resultante es similar a la enzima PETasa de la bacteria Idionella sakaiensis, descubierta en 2016 en una planta de reciclaje de envases en Japón, que es capaz de degradar este tipo de plástico.

Los resultados indican que la nueva proteína es altamente eficaz en la degradación de microplásticos y nanoplásticos de PET, superando en eficacia entre 5 y 10 veces a las PETasas actualmente disponibles en el mercado, y funciona a temperatura ambiente.

Otras técnicas requieren temperaturas superiores a 70°C para hacer que el plástico sea moldeable, lo que genera altas emisiones de CO2 y limita su aplicabilidad. Además, la estructura porosa de la proteína permite el paso de agua a través de ella y su anclaje a membranas similares a las utilizadas en plantas de desalinización.

Esto facilitaría su uso en forma de filtros, que podrían emplearse en plantas de tratamiento para descomponer partículas microscópicas difíciles de eliminar y que ingerimos, como destaca Manuel Ferrer, investigador del CSIC en el ICP-CSIC y otro de los coordinadores del estudio.

Una ventaja adicional de la nueva proteína es que se han diseñado dos variantes según la ubicación de los nuevos aminoácidos. Cada variante produce diferentes productos: una descompone las partículas de PET de manera más exhaustiva, adecuada para su uso en plantas de tratamiento, mientras que la otra genera los componentes iniciales necesarios para el reciclaje.

De esta manera, se puede adaptar la tecnología para fines de purificación o reciclaje, según las necesidades, como explica Laura Fernández López, quien está realizando su tesis doctoral en el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC (ICP-CSIC).

Aunque los investigadores consideran que la tecnología actual ya tiene aplicaciones, la flexibilidad de esta proteína, a la que comparan con una herramienta polivalente, permite la adición y prueba de nuevos elementos y combinaciones, según destaca la Dra. Sara García Linares de la Universidad Complutense de Madrid.

El objetivo final es aprovechar el potencial de las proteínas de la naturaleza junto con el aprendizaje automático y la potencia de los superordenadores para crear diseños innovadores que conduzcan a un entorno libre de plásticos.