Bacterias degradadoras de plástico

Esta entrada del blog de Manuel Sánchez “Curiosidades de la Microbiología”, trata sobre un artículo publicado por el investigador Víctor de Lorenzo que describe siete procesos en los que actúan microorganismos y que podrían servir de ayuda al planeta. Los bioprocesos que se mencionan son los siguientes: rutas metabólicas no fotosintéticas de captura de CO2, expresión de proteínas capturadoras de agua en bacterias del suelo resistentes a la desecación, rutas metabólicas para la mineralización de los plásticos, rutas metabólicas para la biodegradación completa de fármacos e interruptores endocrinos, rutas de fijación de nitrógeno insensibles al oxígeno, diseño de microorganismos hiperacumuladores de fosfato y diseño de microorganismos despolimerizadores de lignina. Entre todos estos procesos, destacamos el tercero que es el que comenta sobre la bacteria Ideonella sakaniensis y su capacidad para degradar plásticos PET, y expone la posibilidad de inertización de los plásticos por la acción de otro tipo de microorganismos. El autor de la entrada añade que para que estos procesos lleguen a ser útiles, es necesaria la labor de los biotecnólogos.

Esta noticia científica expone el importante problema actual de la enorme cantidad de residuos plásticos producidos en el mundo y cómo la bacteria Ideonella sakaiensis, capaz de metabolizar el PET (tereftalato de polietileno), puede significar una solución al mismo. Prosigue comentando el planteamiento de los investigadores acerca de la realización de estudios destinados a mejorar la actividad de las enzimas capaces de degradar el PET para acelerar el proceso. Asimismo, explica el posible uso de los subproductos resultantes de la degradación (etilenglicol y dimetiltriptamina) en la producción sostenible de otros productos, además de plantear la posibilidad del empleo de una estrategia similar en el tratamiento de otros tipos de plástico. En resumen, esta noticia trata sobre el interés de la degradación enzimática para reciclar el plástico y para favorecer la sostenibilidad, siendo el lenguaje utilizado no excesivamente técnico y, por tanto, fácil de entender.

El segundo artículo de esta autora, incluido en la serie “MICROBIOtecnología” de la página web de la American Society for Microbiology, trata el tema de la degradación de plásticos por microorganismos especializados empleando un lenguaje científico dirigido a estudiantes de posgrado. La investigadora destaca la capacidad de Ideonella sakaiensis 201-F6 para emplear el PET (tereftalato de polietileno) como fuente de energía. El PET es un tipo de plástico muy empleado en muchas industrias. Se destaca la capacidad catabólica de este microorganismo que consigue degradar enzimáticamente el PET mediante dos enzimas: la PETasa y la MHETasa. Los productos resultantes de las reacciones son el TPA (ácido tereftálico) y el EG (etilenglicol), moléculas menos perjudiciales para el medio ambiente, y que pueden ser metabolizadas por distintos tipos de microorganismos. Desde que se descubrió esta bacteria se han puesto en marcha varias investigaciones para tratar de optimizar la eficiencia del proceso degradativo con el fin de dar solución al problema del plástico vertido en los océanos. Termina recordando el eslogan “reducir, reusar y reciclar” como principal estrategia para la disminución de la producción de este material.

Esta noticia científica trata sobre un estudio en el que se ha descubierto un grupo de microorganismos marinos con capacidad metabólica para degradar plastificantes. Los plastificantes son aditivos del plástico que le proporcionan determinadas características pero que, frecuentemente, son tóxicos. Al verterse éstos al medioambiente, su toxicidad genera un problema, sobre todo en ambientes marinos. El estudio resalta las investigaciones realizadas conjuntamente por las Universidades de las Islas Baleares y de Warwick, con el objetivo principal de demostrar la capacidad de algunas comunidades de microbios para degradar estos aditivos y reducir así su toxicidad en el mar. Se menciona, asimismo, la importancia de la colonización de los plásticos por biofilms microbianos.

En este artículo se efectúa la descripción de la nueva especie bacteriana Ideonella sakaiensis, aislada por primera vez en Japón. Comienza con una exposición de las características diferenciales del género Ideonella, en el que se incluyen bacterias gram negativas, aerobias y móviles por la presencia de dos o más flagelos. A continuación, se detalla el tipo de metabolismo que presentan estas bacterias relacionándolo con el objetivo de la investigación llevada a cabo: la búsqueda de microorganismos capaces de degradar de manera eficiente el PET (tereftalato de polietileno), un compuesto presente en residuos plásticos y altamente contaminante. El trabajo concluye que Ideonella sakaiensis sp. nov es la bacteria más conveniente. Varios de los apartados del artículo explican las metodologías utilizadas para el estudio y la descripción de especies bacterianas, empleando, por tanto, un lenguaje técnico que haría aconsejable tener unos conocimientos previos de microbiología, bioquímica y/o genética para la completa comprensión de la información proporcionada.

Tanasupawat, S., Takehana, T., Yoshida, S., Hiraga, K., y Oda, K. (2016). Ideonella sakaiensis sp. nov isolated from a microbial consortium that degrades poly (ethylene terephtalate). International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 66 (8), 2813–2818.

Este artículo concreta el conocimiento disponible acerca de la estructura del tereftalato de polietileno (uno de los materiales plásticos con mayor producción mundial), de las enzimas que posibilitan la hidrólisis de este compuesto (PET hidrolasas), así como de los diferentes factores que afectan a la actividad enzimática (grado de polimerización, temperatura, presencia de cationes divalentes, entre otros). Su interés añadido radica en que aborda los distintos tratamientos conocidos para el reciclado efectivo y económico de plásticos y el detalle con el que se expone la información sobre las enzimas implicadas en los diferentes procesos.

Kawai, F., Kawabata, T., y Oda, M. (2019). Current knowledge on enzymatic PET degradation and its possible application to waste stream management and other fields. Applied Microbiology and Biotechnology, 103, 4253–4268.

Este artículo comenta el descubrimiento de la capacidad de degradación del PET (tereftalato de polietileno) por la bacteria Ideonella sakaiensis debida a la actividad de dos enzimas: la PETasa y la MHETasa. Los productos resultantes de la reacción son el etilenglicol y el TPA (ácido tereftálico, precursor del PET). Este conocimiento ha iniciado toda una serie de investigaciones que tienen por objeto posibilitar la degradación de los plásticos, tratando de dar solución a los problemas causados por este material. El artículo detalla la estructura tridimensional de ambas enzimas que ha sido posible analizar tras su purificación y cristalización. El análisis y comparación de las secuencias aminoacídicas ha permitido la propuesta de relaciones filogenéticas entre estas enzimas y otras pertenecientes a las familias de tanasas y esterasas.

Palm, G.J., Reisky, L., Böttcher, D., Müller, H., Michels, E. A. P., Walczak, M. C., Berndt, L., Weiss, M. S., Bornscheuer, U. T., y Weber, G. (2019). Structure of the plastic-degrading Ideonella sakaiensis MHETase bound to a substrate. Nature Communications 10, 1717.

Este artículo, disponible en la página web de la American Society for Microbiology y dirigido a un público especializado (investigadores), comienza recordando el grave problema que constituye la acumulación de plásticos en el ambiente, y presenta el trabajo de un equipo de científicos que ha publicado recientemente las secuencias de los genomas de un consorcio bacteriano que puede representar una solución al mismo (se incluye el enlace a la publicación mencionada). La autora del texto plantea varias cuestiones a los investigadores a las que éstos dan respuesta. Los aspectos tratados más relevantes se exponen a continuación: la naturaleza química del tereftalato de polietileno (PET) y sus usos en la industria de envases de bebidas, textiles y materiales de embalaje; el lugar de aislamiento de las cepas microbianas (suelo de zonas contaminadas por hidrocarburos aromáticos); su cultivo en el laboratorio en placas de agar y la detección de la actividad enzimática (lipasa, enzima asociada a la degradación del PET con producción de fluorescencia en presencia de luz UV); la cooperación metabólica entre cepas bacterianas (relacionada con la complejidad del sustrato) y el interés de los estudios genómicos realizados (la determinación de los genes relacionados con las enzimas que pueden degradar compuestos complejos de tipo hidrocarburo, o la comprensión de los procesos que ocurren activamente en el interior de las bacterias cuando degradan el PET). Finalmente, se adjunta un vídeo (conferencia TEDx realizada por Morgan Vague en octubre del 2018) con información adicional sobre los microorganismos capaces de degradar el plástico.

Este artículo se basa en el estudio y análisis de las modificaciones que pueden mejorar el rendimiento de la enzima PETasa (codificada por Ideonella sakaiensis), y la capacidad degradativa que presenta frente a los distintos tipos de plástico. Se realizaron distintos experimentos y mediciones de su estructura cristalográfica. Las conclusiones obtenidas asientan cimientos para seguir investigaciones en esta línea, dejando ver que es posible la optimización de la actividad de esta enzima mediante ingeniería de proteínas y evolución adaptativa. Para entender bien el artículo se requieren unas nociones de bioquímica, sobre todo para la sección relativa a la parte experimental ya que, en ese apartado, se encuentran las explicaciones necesarias para entender la razón por la que esta enzima sólo es eficaz en la degradación de ciertos tipos de plástico, eficacia que está relacionada con los componentes de su sitio activo y con el tipo de unión enzima-sustrato que se produce.

Austin, H. A., Allen, M., Donohoe, B., Rorrer, N. A., Kearns, F. L., Silveira, R. L., Pollard, B. C., Dominick, G., Duman, R., Omari, K. E., Mykhaylyk, V., Wagner, A., Michener, W. E., Amore, A., Skaf, M. S., Crowley, M. F., Thorne, A. W., Johnson, C. W., Woodcock, H. L., McGeehan, J. E., Beckahm, G. T. (2018). Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase. PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America), 115 (19), E4350-E4357.