Ricercatori dell’Università di Aarhus e dell’Istituto Tecnologico Danese hanno adottato un nuovo approccio nella ricerca di enzimi capaci di scomporre alcuni dei tipi di plastica più difficili da riciclare. Hanno raccolto milioni di batteri da una discarica in Kenya, dallo zoo tropicale Randers Regnskov, dall’intestino di larve e da un cumulo di compost vicino ad Aarhus, e ne hanno esaminato gli enzimi. Ne hanno individuati 12 efficaci.
Il candidato migliore proveniva dal cumulo di compost. I ricercatori sono ora impegnati a migliorare la capacità dell’enzima di scomporre il poliuretano e il nylon. Il nuovo approccio scelto dai ricercatori è noto come bioprospezione. Consiste nella ricerca in natura di organismi biologici e materiale genetico utilizzabili nella ricerca e nell’industria. Vedi il riquadro informativo in calce al comunicato stampa.
Questa è la prima volta che la bioprospezione viene condotta su una scala così ampia e in una gamma così vasta di ambienti per trovare enzimi capaci di degradare il poliuretano (PUR) e il nylon. Entrambi i tipi di plastica sono notoriamente difficili da degradare. Maggiori dettagli alla fine dell’articolo.
Come guardare sotto un lampione
L’approccio convenzionale per trovare questo tipo di enzima in grado di degradare la plastica consiste nella ricerca nei database genomici. Più specificamente, i ricercatori cercano sequenze geniche simili a quelle presenti in enzimi già noti per essere adatti a tale scopo. E non ce ne sono molti. Gli enzimi in grado di degradare la plastica sono stati scoperti utilizzando metodi convenzionali.
Viaggi lunghi e brevi
L’idea di viaggiare per il mondo è venuta ad Andreas Møllebjerg quando stava per assumere un incarico post-dottorato presso quello che allora era l’Interdisciplinary Nano Science Center (iNANO) dell’Università di Aarhus, più precisamente nell’ambito di un nuovo progetto di ricerca che indagava la capacità degli enzimi naturali di degradare la plastica.
«Ho suggerito di cercare enzimi adatti in luoghi caldi, perché lì i batteri prosperano e crescono bene tutto l’anno. E preferibilmente in un posto dove la plastica è presente da molto tempo. Un anno e mezzo dopo, ero su un aereo diretto in Kenya, seguito da mezz’ora in moto con uno studente del posto, diretto a un’enorme discarica. Mi ha aiutato a raccogliere campioni e a comunicare con le centinaia di persone che vivevano dentro e fuori dalla discarica», racconta. Andreas Møllebjerg è coautore dell’articolo scientifico, pubblicato di recente sulla rivista scientifica Angewandte Chemie .
Era responsabile della raccolta di batteri provenienti da diversi ambienti. Insieme alla dottoranda e coautrice Malthe Kjær Bendtsen, ha anche percorso 34 chilometri fino allo zoo tropicale di Randers Regnskov per raccogliere rifiuti di plastica e ha acquistato un sacchetto di larve di falena della cera in un negozio di alimenti per animali domestici, in modo che i ricercatori potessero studiare gli enzimi presenti nel loro intestino. Poi andò a prendere una palata di compost da un centro di riciclaggio a circa 10 chilometri dall’università.
I batteri hanno acceso la luce da soli
Tornati in laboratorio, i ricercatori hanno iniziato a smistare i numerosi batteri, utilizzando una tecnica avanzata nota come citometria a flusso (FACS). Hanno mescolato i batteri con molecole che imitavano i legami chimici del poliuretano e del nylon, e che si illuminavano quando entravano in contatto con un batterio contenente un enzima adatto. Il batterio ha acceso la sua piccola insegna al neon e ha rivelato di contenere qualcosa di interessante. Utilizzando una macchina per la selezione cellulare, i ricercatori sono stati in grado di analizzare milioni di batteri e individuare le cellule fluorescenti a una velocità fino a 10.000 al secondo.
“È stato come un razzo a tre stadi, in cui abbiamo gradualmente ristretto il campo delle possibili soluzioni. Abbiamo iniziato trovando batteri in grado di degradare il materiale modello fluorescente. Poi abbiamo isolato gli enzimi capaci di degradare proprio quel materiale fluorescente. Infine, abbiamo testato gli enzimi su materiali sempre più realistici”, spiega Malthe Kjær Bendtsen.
Un materiale realistico era, ad esempio, la schiuma di poliuretano per materassi, sebbene in polvere. Il risultato: 29 batteri in grado di degradare la plastica e 12 enzimi capaci, in misura variabile, di scomporre poliuretano e nylon.
L’enzima completo si dimostra il più promettente
Il candidato più promettente era l’enzima che il gruppo ha denominato CC PUR1 . La sigla ‘CC’ deriva dal batterio Chelatococcus composti , mentre PUR deriva dal termine PURase, abbreviazione di poliuretano idrolasi, un enzima in grado di scomporre il poliuretano (PUR).
Il suo segreto? CC PUR1 possiede una fessura di legame molto ampia, che gli consente di ospitare polimeri di grandi dimensioni. È inoltre particolarmente stabile e resiste meglio alle alte temperature e a una vasta gamma di solventi rispetto agli altri enzimi, pertanto è un prodotto migliore sotto tutti i punti di vista.
Perché, dunque, un batterio proveniente da un cumulo di compost dovrebbe essere più efficace nel decomporre la plastica rispetto a un batterio proveniente, ad esempio, da una discarica? Questo perché i cumuli di compost contengono polimeri vegetali difficili da degradare come cera e lignina. Per scomporli, i batteri hanno sviluppato un enzima in grado di degradare anche la plastica.
Il compost può raggiungere temperature molto elevate, fino a 80 °C, quindi gli enzimi devono essere più stabili per poter funzionare correttamente a tali temperature. Gli altri 11 enzimi non sono affatto inutili. Tutt’altro. Funzionano al meglio su piccoli pezzi di plastica e potrebbero quindi integrare CC PUR1 in future combinazioni di processi.
E poiché gli enzimi sono selettivi, i ricercatori ipotizzano qualcosa di simile a un cocktail enzimatico: prima rimuovere il poliuretano e lavarlo via, poi aggiungere enzimi che degradano il nylon, cosa che i metodi chimici non possono fare allo stesso modo.
C’è ancora molta strada da fare
In tre giorni, CC PUR1 è stato in grado di scomporre poco meno dell’uno per cento della schiuma del materasso che i ricercatori gli avevano “fornito”. Pertanto, c’è ancora molta strada da fare prima che l’enzima possa rendere possibile il riciclo del PUR e del nylon su scala industriale. Potrebbe inoltre essere necessario combinare questo processo con la degradazione meccanica e chimica per rendere la plastica più “digeribile” agli enzimi. Anche la degradazione chimica del PUR e del nylon rappresenta un importante campo di ricerca, anche presso l’Università di Aarhus.
“Ma la ricerca mette in luce la forza degli enzimi. Il loro vero vantaggio, quando si tratta di riciclaggio, è che agiscono in condizioni blande, ovvero a temperature e pressioni inferiori rispetto a quelle utilizzate nella maggior parte delle tecnologie di riciclaggio odierne”, afferma Rosie Graham, ricercatrice post-dottorato responsabile dei test di laboratorio sull’efficacia degli enzimi nel degradare i materiali plastici. Tuttavia il team di ricerca non ha ancora concluso il lavoro su CC PUR1 .
In un nuovo studio pubblicato ora sulla rivista Chem Catalysis , i ricercatori hanno collaborato con l’Università di Porto per migliorare l’enzima. Utilizzando simulazioni al computer e modifiche mirate del DNA dell’enzima, lo hanno migliorato in modo che, in tre giorni, la versione modificata scomponesse circa l’1,4% del poliuretano presente nella schiuma di una vera suola di scarpa, senza alcun pretrattamento della plastica. Rosie Graham è la prima autrice di quello studio.
Il Santo Graal
Per quanto riguarda il riciclo del PUR e del nylon, alcuni tipi di plastica sono relativamente facili da riciclare. Altri sono estremamente difficili, almeno su scala industriale. Il poliuretano e il nylon appartengono a quest’ultima categoria. Il poliuretano si trova in una vasta gamma di prodotti, dalla schiuma dei materassi alle suole delle scarpe, fino all’isolamento dei frigoriferi, mentre il nylon è utilizzato in abbigliamento, borse, automobili, corde, componenti di motori, reti da pesca e molto, molto altro. Entrambi si basano sul petrolio greggio, che è una risorsa limitata.
I ricercatori stanno quindi lavorando intensamente per trovare il modo di scomporre il poliuretano e il nylon nei loro componenti puri, che potranno poi essere utilizzati per produrre nuovo poliuretano e nylon, anziché dipendere da ulteriore petrolio greggio.
In linea generale, stanno perseguendo approcci diversi – chimici e biologici – e stanno facendo progressi. Le soluzioni che emergono dai laboratori non sono ancora pronte per l’uso su scala industriale. Di conseguenza, una percentuale molto elevata delle milioni di tonnellate di poliuretano prodotte a livello globale finisce per essere incenerita o smaltita in discarica. Questo è uno dei motivi per cui il team di ricerca paragona la ricerca di un metodo efficiente per riciclare il PUR alla ricerca del “Santo Graal”.
L’idea della bioprospezione in sé non è nuova. Già nel 2012, i ricercatori avevano scoperto un enzima che si era dimostrato efficace nella degradazione di un altro tipo di plastica: il poliestere, che si trova in prodotti come le bottiglie monouso in PET. Ad oggi, è l’unico enzima utilizzato per degradare la plastica su scala industriale. E, tra l’altro, è stato ritrovato anche in un cumulo di compost.