Una enzima que da esperanzas: se ha descubierto en bacterias una nueva enzima capaz de degradar el plástico
La «enzima Pac-Man» degrada el plástico de poliéster y, al mismo tiempo, descompone la penicilina
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Investigadores de la Universidad de Constanza han descubierto en las bacterias una nueva «enzima Pac-Man» capaz de descomponer el plástico de poliéster, pero también antibióticos como la penicilina. Esto sienta nuevas bases para la investigación sobre la degradación microbiana del plástico, así como para la comprensión de la propagación de la resistencia a los antibióticos en el medio ambiente, también en lo que respecta a su evolución.
En los océanos se acumulan enormes cantidades de residuos plásticos en los denominados «remolinos de basura» («Great Garbage Patches»), lo que supone una amenaza para los organismos que allí viven. Esto se debe a que los polímeros plásticos sintéticos que se utilizan hoy en día solo pueden descomponerse biológicamente —es decir, mediante microorganismos— de forma muy lenta. En su lugar, la fragmentación física de los materiales da lugar a microplásticos y nanoplásticos. Sin embargo, los microbios se asientan sobre los residuos plásticos presentes en el medio ambiente y forman así una biopelícula en un hábitat microbiano totalmente propio, que la investigación denomina «plastisfera».
Una enzima recién descubierta en estas bacterias despierta la esperanza de que los microorganismos puedan especializarse en la degradación del plástico más rápido de lo esperado. Un equipo de investigación de la Universidad de Constanza descubrió esta enzima hasta ahora desconocida, que no solo es capaz de descomponer determinados tipos de poliéster y bioplásticos, sino que además confiere a las bacterias resistencia a los antibióticos. Debido a su estructura, con un centro activo muy abierto, los investigadores denominan a este «devorador de plástico» la «enzima Pac-Man». El ser humano puede contribuir a la degradación del plástico en el medio ambiente utilizando, en el mejor de los casos, únicamente bioplásticos que puedan ser descompuestos por los microorganismos.
El proyecto de investigación
En su proyecto de investigación, los biólogos de Constanza Harry Lerner y David Schleheck estudiaron la descomposición microbiana completa del bioplástico. Al mismo tiempo, investigaron la composición y el conjunto de la información genética (el metagenoma) de la comunidad microbiana implicada. Para el estudio se utilizaron materiales bioplásticos desarrollados por el grupo del químico Stefan Mecking: los denominados poliésteres alifáticos de cadena larga (LCAP). Su estudio conjunto se ha publicado ahora enla revista The ISME Journal.
¿Cómo procedió el equipo de investigación en su estudio? «Enterramos pequeños trozos de lámina de bioplástico LCAP en la capa superior de humus del bosque del Jardín Botánico de la Universidad, a unos diez centímetros de profundidad», explica Harry Lerner. «En esta capa es donde tiene lugar la degradación de la celulosa y de otros polímeros naturales, como la cutina, un poliéster vegetal». Al mismo tiempo, el equipo mezcló un polvo del bioplástico con muestras del mismo suelo forestal en el laboratorio. Las muestras del bosque se dejaron así durante todo un año, mientras que en las muestras de laboratorio se realizó un seguimiento muy detallado de la degradación de los materiales a través de laproducción de CO₂ y, por tanto, de la respiración microbiana, también a lo largo de todo un año. «Como referencias en el laboratorio se utilizaron la celulosa, otros tipos de bioplásticos como el PHBV y el PCL, así como el plástico duro (HDPE) y suelo sin tratar como control negativo. En todos los materiales bioplásticos pudimos demostrar una degradación completa en un plazo de entre 250 y 330 días aproximadamente; en el caso de la celulosa, en unos 80 días, mientras que con el HDPE prácticamente no ocurrió nada», describe Lerner.
Un hallazgo inesperado
A los investigadores les esperaba una sorpresa, concretamente al examinar los films del suelo del bosque: bajo el microscopio electrónico se observó que se habían formado agujeros microscópicos en el film. Y estos agujeros tenían exactamente el tamaño y la forma de células bacterianas individuales. «Las bacterias podrían —esa era nuestra hipótesis— estar recubiertas de despolimerasa plástica firmemente anclada a su superficie celular, digerirse, por así decirlo, dentro del material y, por eso, hundirse en la lámina. Al hacerlo, dejan cada una de ellas unos agujeros minúsculos», explica Lerner.
Para averiguar qué microbios se acumulan en las muestras de suelo durante la degradación de los materiales bioplásticos y con qué enzimas se lleva a cabo dicha degradación, Harry Lerner extrajo el ADN total de la comunidad de organismos del suelo, lo secuenció y analizó los grandes volúmenes de datos con mucha paciencia y esmero. Los microbiólogos encontraron un gen que se había acumulado en gran medida, exclusivamente en el suelo del bosque, junto con LCAP. Este gen codifica una enzima denominada «esterasa», que posee tanto una señal de secreción —una especie de etiqueta de dirección para su exportación fuera de la célula— como un «anclaje de membrana» (anclaje lipídico). Este último permite la unión firme de la enzima a la superficie celular. Se había descubierto la «enzima Pac-Man».
La enzima deparó otra sorpresa: «Muestra una similitud estructural con las esterases, pero también con las betalactamasas, es decir, con enzimas bacterianas capaces de escindir el anillo betalactámico de determinados antibióticos, como la penicilina, y conferir así a las bacterias resistencia a los antibióticos», afirma Lerner. Y, de hecho, los investigadores pudieron demostrar en el laboratorio la doble función bioquímica de la enzima: por un lado, descomponer poliésteres en monómeros y, por otro, escindir la penicilina.
¿Un punto de inflexión en la plastosfera?
«En nuestro entorno, la plastisfera es un nuevo hábitat», subraya Schleheck. «El ser humano lleva introduciendo plástico en el medio ambiente en cantidades significativas desde hace tan solo entre 50 y 75 años. Desde entonces, está a disposición de las comunidades microbianas —por ejemplo, bacterias, levaduras y hongos— como sustrato adicional de carbono y energía para su crecimiento. Con “en teoría” me refiero a que, sin duda, les gustaría utilizar el plástico como sustrato de crecimiento, pero no pueden hacerlo, ya que estos materiales son prácticamente indigestibles para el metabolismo microbiano y, por lo tanto, apenas se degradan».
Al menos hasta ahora. La «enzima Pac-Man» podría suponer ahora un punto de inflexión, ya que indica que algunos microorganismos se están especializando por completo en la degradación del plástico. «Personalmente, esto me da esperanzas, porque parece que las bacterias podrían especializarse en la degradación de los plásticos de poliéster más rápido de lo que se pensaba. Para resolver el problema del plástico en el medio ambiente, esto significa que los seres humanos debemos salir al encuentro de los microbios y, en el mejor de los casos, utilizar en el futuro únicamente polímeros que posean puntos de ruptura bioquímicos, como los puentes de éster hidrolizables en los poliésteres, por ejemplo, en el LCAP u otros tipos de bioplásticos», afirma Schleheck.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.
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