Un enzima che infonde speranza: scoperto nei batteri un nuovo tipo di enzima in grado di degradare la plastica
L’«enzima Pac-Man» degrada la plastica in poliestere e, allo stesso tempo, scinde la penicillina
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I ricercatori dell’Università di Costanza hanno scoperto nei batteri un nuovo “enzima Pac-Man” in grado di degradare la plastica in poliestere, ma anche antibiotici come la penicillina. Ciò getta nuove basi per la ricerca sulla degradazione microbica della plastica e per la comprensione della diffusione della resistenza agli antibiotici nell’ambiente, anche in relazione alla sua evoluzione.
Negli oceani si accumulano enormi quantità di rifiuti di plastica nei cosiddetti «vortici di rifiuti» («Great Garbage Patches»), che rappresentano una minaccia per gli organismi che vi vivono. Ciò è dovuto al fatto che i polimeri sintetici di plastica utilizzati oggi possono essere degradati biologicamente, cioè dai microrganismi, solo molto lentamente. La frammentazione fisica dei materiali porta invece alla formazione di micro e nanoplastica. Sui rifiuti di plastica presenti nell’ambiente, tuttavia, si insediano i microbi, formando così un biofilm in un habitat microbico a sé stante, che la ricerca definisce «plastisfera».
Un enzima scoperto di recente in questi batteri fa sperare che i microrganismi possano specializzarsi nella degradazione della plastica più rapidamente del previsto. Un gruppo di ricerca dell’Università di Costanza ha scoperto questo enzima finora sconosciuto, che non solo è in grado di decomporre determinati tipi di poliestere e bioplastica, ma conferisce inoltre ai batteri una resistenza agli antibiotici. Data la sua struttura con un centro attivo ampiamente aperto, i ricercatori definiscono questo “divoratore di plastica” “enzima Pac-Man”. L’uomo può favorire la degradazione della plastica nell’ambiente utilizzando, nel migliore dei casi, solo bioplastica, che può essere scomposta dai microrganismi.
Il progetto di ricerca
Nel loro progetto di ricerca, i biologi di Costanza Harry Lerner e David Schleheck hanno studiato la completa degradazione microbica della bioplastica. Allo stesso tempo, hanno analizzato la composizione e l’intero patrimonio genetico (il metagenoma) della comunità microbica coinvolta. Per lo studio sono stati utilizzati materiali bioplastici sviluppati dal gruppo guidato dal chimico Stefan Mecking: i cosiddetti poliesteri alifatici a catena lunga (LCAP). Il loro studio congiunto è stato ora pubblicato su*The ISME Journal *.
Come ha proceduto il team di ricerca nel proprio studio? «Abbiamo seppellito piccoli pezzi di pellicola di bioplastica LCAP nello strato superiore di humus nel bosco del Giardino Botanico dell’Università, a circa dieci centimetri di profondità», spiega Harry Lerner. «È proprio in questo strato, infatti, che avviene la degradazione della cellulosa e di altri polimeri naturali come la cutina, un poliestere vegetale». Allo stesso tempo, il team ha mescolato una polvere della bioplastica a campioni dello stesso terreno boschivo in laboratorio. I campioni nel bosco sono stati lasciati così per un anno intero, mentre per i campioni in laboratorio è stata monitorata in modo molto dettagliato la degradazione dei materiali attraverso laproduzione di CO₂ e quindi la respirazione microbica – anch’essa per un anno intero. «Come riferimenti in laboratorio sono stati utilizzati la cellulosa, altri tipi di bioplastica come il PHBV e il PCL, nonché la plastica rigida (HDPE) e il terreno non trattato come controllo negativo. Per tutti i materiali bioplastici abbiamo potuto dimostrare una degradazione completa entro circa 250-330 giorni, per la cellulosa dopo circa 80 giorni, mentre per l’HDPE non è successo praticamente nulla», spiega Lerner.
Una scoperta inaspettata
Una sorpresa attendeva i ricercatori proprio durante l’analisi delle pellicole prelevate dal suolo del bosco: al microscopio elettronico è risultato evidente che nella pellicola si erano formati fori microscopici. E questi fori avevano esattamente le dimensioni e la forma di singole cellule batteriche. «I batteri potrebbero – questa era la nostra ipotesi – essere rivestiti da depolimerasi della plastica saldamente ancorate alla loro superficie cellulare, quasi “digerire” il materiale dall’interno e quindi affondare nella pellicola. In questo modo lasciano ciascuno di questi minuscoli fori», spiega Lerner.
Per scoprire quali microbi si accumulassero nei campioni di terreno durante la degradazione dei materiali bioplastici e con quali enzimi avvenisse tale degradazione, Harry Lerner ha estratto il DNA totale della comunità di organismi presenti nel suolo, ne ha sequenziato il DNA e ha analizzato le grandi quantità di dati con molta pazienza e cura. I microbiologi hanno individuato un gene che si era fortemente accumulato, esclusivamente nel suolo forestale, in presenza di LCAP. Esso codifica per un cosiddetto enzima esterasi, che possiede sia un segnale di secrezione – per così dire una sorta di etichetta di indirizzo per l’esportazione all’esterno della cellula – sia un cosiddetto ancoraggio di membrana (ancoraggio lipidico). Quest’ultimo consente il legame saldo dell’enzima alla superficie cellulare. L’«enzima Pac-Man» era stato individuato.
L’enzima ha riservato un’altra sorpresa: «Mostra una somiglianza strutturale con le esterasi, ma anche con le beta-lattamasi, ovvero con enzimi batterici in grado di scindere l’anello beta-lattamico di determinati antibiotici come la penicillina, conferendo così ai batteri una resistenza agli antibiotici», afferma Lerner. E infatti i ricercatori sono riusciti a dimostrare in laboratorio la doppia funzione biochimica dell’enzima: da un lato scindere i poliesteri in monomeri e, dall’altro, scindere la penicillina.
Una svolta nella plastisfera?
«Nel nostro ambiente, la plastisfera rappresenta un nuovo habitat», sottolinea Schleheck. «L’uomo immette plastica nell’ambiente in quantità significative solo da circa 50-75 anni. Da allora, essa è di fatto a disposizione delle comunità microbiche – ad esempio batteri, lieviti e funghi – come substrato aggiuntivo di carbonio ed energia per la loro crescita. Con ‘in teoria’ intendo dire che sicuramente utilizzerebbero volentieri la plastica come substrato di crescita, ma non possono farlo perché questi materiali sono praticamente indigeribili per il metabolismo microbico e quindi vengono degradati solo in misura minima».
Almeno finora. L’«enzima Pac-Man» potrebbe ora segnare una svolta, indicando che alcuni microrganismi si stanno ormai specializzando completamente nella degradazione della plastica. «Questo mi dà personalmente speranza, perché sembra che i batteri possano specializzarsi nella degradazione dei tipi di plastica in poliestere più rapidamente di quanto si pensasse. Per risolvere il problema della plastica nell’ambiente, ciò significa che noi esseri umani dobbiamo venire incontro ai microbi e, nel migliore dei casi, utilizzare in futuro solo polimeri che presentino punti di rottura biochimici come i ponti estere idrolizzabili presenti nei poliesteri, ad esempio nell’LCAP o in altri tipi di bioplastica», afferma Schleheck.
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