Biodegradación de tereftalato de polietileno: microorganismos, enzimas y perspectivas futuras Biodegradation of polyethylene terephthalate: microorganisms, enzymes and future prospects https://www.genengnews.com/news/molecular-scissors-for-plastic- waste/ Trabajo de Fin de Grado Jorge Pérez Parrilla Tutorizado por Ana María Rodríguez Pérez y Samuel Rodríguez Martín Grado en Biología. Julio 2020 ÍNDICE Resumen.................................................................................................................................1 Abstract ..................................................................................................................................1 1. Introducción ....................................................................................................................2 1.1 Los plásticos, relevancia y peligros que suponen ......................................................2 1.2 Estrategias para el tratamiento de los residuos plásticos ............................................3 1.2.1 Plásticos biodegradables .........................................................................................3 1.2.2 Reciclaje .................................................................................................................4 1.2.3 Incineración y métodos químicos de reciclaje .........................................................5 1.2.4 Biodegradación .......................................................................................................5 1.3 Biodegradación de plásticos: El caso del PET ...........................................................7 2. Objetivos .........................................................................................................................9 3. Biodegradación del PET ................................................................................................ 10 3.1 Consideraciones previas. ........................................................................................ 10 3.2 Hidrólisis del PET. Enzimas descritas. .................................................................... 11 3.2.1 Thermobifida fusca. TfH, TfCut2, TfCa .......................................................... 11 3.2.2 Humicola insolens y Candida antarctica. HiC y CALB ................................... 13 3.3 Ideonella sakaiensis, una bacteria capaz de degradar y asimilar el PET .................. 14 3.3.1 Aislamiento y caracterización. ......................................................................... 14 3.3.2 La PETasa. Características estructurales y mecanismos moleculares. ............... 15 3.3.3 La MHETasa. Características estructurales y mecanismos moleculares. ........... 19 3.3.4 Mecanismo global de Ideonella sakaiensis. Un paso adelante para solventar el problema ambiental que supone el PET. ........................................................................ 21 4 Situación actual y perspectivas futuras en la biodegradación del PET ............................ 22 5 Conclusiones ................................................................................................................. 25 Bibliografía .......................................................................................................................... 27 Resumen Hoy en día, el problema medioambiental generado por la acumulación de residuos plásticos afecta a todo tipo de ecosistemas, alterándolos y causando multitud de efectos negativos en los seres vivos (seres humanos incluidos). Tal es la gravedad del problema que, en los últimos años, se han propuesto multitud de posibles tratamientos para reducir la cantidad de estos residuos, mitigando sus efectos nocivos. El uso de microorganismos para degradar plásticos supone una de las soluciones más prometedoras, constituyendo una vía económica y respetuosa con el medio natural. En este trabajo, centramos nuestra atención en la biodegradación del tereftalato de polietileno (PET), uno de los poliésteres de uso más extendido, destacando algunos microorganismos y enzimas involucrados en este proceso. Asimismo, se discutirán distintos enfoques para solventar las limitaciones de algunas de las enzimas y se describirá la estructura y el mecanismo molecular de las enzimas PETasa y MHETasa, producidas por Ideonella sakaiensis. Pretendemos pues, llevar a cabo una breve descripción de los hallazgos más relevantes obtenidos en la última década con el fin de ofrecer una visión del estado actual y perspectivas futuras de la biodegradación del PET. Palabras clave: plásticos, microorganismos, biodegradación, PET, PETasa, MHETasa. Abstract Nowadays, the environmental problem generated by the accumulation of plastic waste affects all kinds of ecosystems, altering them and causing a multitude of negative effects on living beings (including humans). Such is the seriousness of the problem that, in recent years, a multitude of possible treatments have been proposed to reduce the amount of this waste, mitigating its harmful effects. The use of microorganisms to degrade plastics is one of the most promising solutions, constituting an economic and environmentally friendly way. In this work, we focus our attention on the biodegradation of polyethylene terephthalate (PET), one of the most widely used polyesters, highlighting some microorganisms and enzymes involved in this process. Likewise, different approaches will be discussed to overcome the limitations of some of the enzymes and the structure and molecular mechanism of the PETase and MHETase enzymes, produced by Ideonella sakaiensis, will be described. We intend, therefore, to carry out a brief description of the most relevant findings obtained in the last decade in order to offer a vision of the current state and future perspectives of the biodegradation of PET. Key words: plastic, microorganisms, biodegradation, PET, PETase, MHETase. 1 1. Introducción 1.1 Los plásticos, relevancia y peligros que suponen El origen de los plásticos data de 1869, cuando se diseña el primer polímero sintético en respuesta a un concurso que pretendía encontrar un sustituto adecuado para el marfil [1]. Desde entonces, el desarrollo de propiedades como su resistencia, plasticidad y ligereza, unidas a la facilidad y el bajo costo de producción, convirtieron al plástico en un material ideal para diversas industrias y productos de consumo [2]. Actualmente, el auge del plástico es más que patente, llegándose a producir a nivel mundial 359 millones de toneladas en 2018, un 3,16% más que en 2017 (véase https://mundoplast.com/produccion-plasticos-2018/). Tal es la importancia alcanzada en las últimas décadas que se considera un marcador del Antropoceno [3]. Sin embargo, a pesar de su importancia y utilidad, son varios los aspectos de este material que justifican su situación en el punto de mira de diversos estudios. El término “plástico” engloba a una serie de polímeros sintéticos de alto peso molecular, que difieren entre sí en estructura (lineales o ramificados), estado (cristalino, semicristalino o amorfo) o grupos químicos presentes (etileno, éster, hidroxilo…), entre otras diferencias [4]. Sin embargo, las mismas características que los hacen deseables para la industria, los convierten en compuestos recalcitrantes o resistentes a la degradación, provocando su inevitable acumulación en los diversos ecosistemas terrestres y marinos y convirtiéndolos en uno de los problemas ambientales de mayor relevancia en la actualidad [1]. Los plásticos producen numerosos efectos negativos y de distinta naturaleza sobre el medio ambiente. En primer lugar, existen desechos macroscópicos que pueden amenazar la supervivencia de muchas especies, enredándose en sus extremidades y restringiendo su movilidad, lo que puede provocar la pérdida de extremidades o la incapacidad de subir a la superficie marina a respirar. Este tipo de desecho también puede ingerirse, permaneciendo en el tracto digestivo de los animales, minimizando la cantidad de alimento que pueden consumir y bloqueando las vías respiratorias, lo que, en última instancia, puede provocar la muerte del animal por asfixia [5]. Por otra parte, existen residuos denominados microplásticos (MP) que engloban todas aquellas partículas de plástico menores a 5 mm [6]. Los MP derivan de distintos tipos de plásticos y pueden alterar ecosistemas terrestres y marinos. Al igual que los macroplásticos, su ingesta puede dañar los órganos digestivos de distintos organismos y, si son lo suficientemente pequeños (nanoplásticos 50 nm – 180 nm), pueden transportarse a los tejidos y a las células, causando alteraciones histológicas notables [6]. También pueden afectar a la 2 flotabilidad de algunos peces mesopelágicos, llevándolos a la muerte. Asimismo, se ha observado la existencia de MP en distintos niveles de la escala trófica, lo que indica su posible transferencia y/o acumulación en la cadena alimenticia, suponiendo un riesgo adicional para el ser humano [6]. En segundo lugar, dada la capacidad de distintas comunidades microbianas para colonizar el plástico, estos residuos pueden comportarse como vectores de dispersión de microorganismos patógenos oportunistas [3,5,7]. De hecho, recientemente, se ha descrito el concepto de “Plastisfera” para referirse al nicho habitable por los microorganismos en los desechos plásticos y como éstos pueden llegar a alterar la ecología de las poblaciones microbianas presentes en ambientes acuáticos y aumentar el intercambio génico entre las poblaciones que colonizan dicha Plastisfera [3,7,8]. Como consecuencia de ello, los plásticos