Les enzymes présentes dans la nature peuvent décomposer certains plastiques, mais pas assez pour soutenir le recyclage industriel et endiguer le fléau des déchets plastiques. En s'appuyant sur ce que la nature a fourni, des chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute ont amélioré l'efficacité d'une cutinase de compost de feuilles et de branches qui décompose le polyéthylène téréphtalate (PET), le plastique utilisé dans les bouteilles d'eau en plastique transparent et coloré et de nombreux autres produits. Les chercheurs pensent que l'enzyme peut être affinée davantage, offrant un candidat prometteur pour alimenter le recyclage illimité du PET et éventuellement d'autres plastiques comme l'acétate de cellulose.

Dans un travail récemment publié dans la revue Biochimie , les chercheurs ont utilisé des cellules de levure pour exprimer la cutinase de compost de feuilles et de branches (LCC) modifiée par l'ajout de molécules de sucre – ou glycanes – à deux endroits. L'enzyme modifiée "glycosylée" a conservé au moins la moitié de son activité après 48 heures à 75 degrés Celsius, contre une demi-vie précédemment rapportée de 40 minutes pour l'enzyme non modifiée à 70 degrés Celsius.

« Nous avons besoin de plastiques et d'autres matériaux qui conservent de bonnes performances et, après utilisation, peuvent ensuite être décomposés par des processus sûrs et doux en leurs blocs de construction d'origine pour être réutilisés, " a déclaré Richard Gross, auteur principal de la recherche, Professeur Constellation de Biocatalyse et Génie Métabolique, membre du Centre de biotechnologie et d'études interdisciplinaires, et professeur de chimie et de biologie chimique à Rensselaer. "L'objectif doit être zéro déchet et pour cela, nous devons intégrer la réutilisation dans la conception d'une large gamme de polymères et de matériaux. C'est une étape encourageante vers cet objectif."

« Cette avancée prometteuse, ce qui est cruellement nécessaire car la pollution plastique devient une menace toujours plus grande pour notre environnement, est le résultat de la diversité des compétences et de l'environnement collaboratif que nous avons construits chez Rensselaer », a déclaré Deepak Vashishth, directeur du Centre de biotechnologie et d'études interdisciplinaires. "La recherche du Dr Gross dépasse les frontières entre les produits biologiques et la bioproduction, et est certain de nous aider à résoudre les problèmes critiques auxquels nous sommes confrontés."

Avec les technologies existantes, une bouteille en plastique n'est pas tant recyclée que downcyclée. Après une seule utilisation, un pourcentage élevé de bouteilles PET va directement à la décharge ou est réutilisé comme d'autres plastiques tels que les fibres PET et le molleton pour les vêtements, tapis, Sacs, un meuble, et des matériaux d'emballage. Finalement, Le PET recyclé se retrouve dans les décharges ou dans d'autres environnements indésirables tels que les océans et les lacs, un sort que de nombreux consommateurs ignorent lorsqu'ils jettent leurs bouteilles d'eau dans un bac de recyclage.

La décomposition du PET en ses éléments constitutifs - l'acide téréphtalique et l'éthylène glycol - permettrait une réutilisation illimitée plus communément associée à d'autres matériaux recyclables tels que le verre et le métal. Certaines enzymes naturelles peuvent décomposer le PET, mais pas dans les contraintes de temps et de température requises par un procédé de recyclage industriel. De nombreuses enzymes perdent leur activité à des températures plus élevées, et finalement dénaturer. Une enzyme adaptée au recyclage industriel doit pouvoir fonctionner à température optimale pour décomposer le PET, qui est d'environ 75 degrés Celsius, et il doit conserver son activité assez longtemps pour faire son travail de manière rentable à cette température.

Le LCC a été initialement découvert grâce à l'analyse métagénomique d'un compost de feuilles-branches, ce qui signifie que les scientifiques ont extrait l'ADN trouvé dans un compost indépendamment des organismes qui l'ont produit, puis utilisé l'ADN pour exprimer et cataloguer les enzymes présentes. Une étude de 2012 publiée par des chercheurs indépendants dans la revue Microbiologie appliquée et environnementale a montré que le LCC était capable d'hydrolyser, ou en panne, ANIMAUX, mais a perdu son activité rapidement à des températures plus élevées. Cela a attiré l'attention de Gross, un expert des méthodes de synthèse biocatalytique et chimique, qui a vu l'opportunité d'améliorer la « stabilité cinétique » de l'enzyme sans endommager sa capacité à décomposer le PET.

Le laboratoire a étudié l'enzyme et a trouvé trois sites de glycosylation distincts, séquences d'acides aminés auxquelles les glycanes sont attachés lors de la synthèse des protéines. Gross a déclaré que les sites de glycosylation auraient pu évoluer dans un organisme précédent et avoir été conservés même s'ils n'étaient pas utilisés par la bactérie naturelle qui produisait à l'origine cette protéine. Indépendamment, lorsque l'équipe a exprimé l'enzyme en utilisant la souche de levure Pichia pastoris, ils ont découvert que la levure glycosylait naturellement l'enzyme sur les trois sites. Des recherches plus poussées ont montré que deux sites de glycosylation produisaient une enzyme plus efficace que trois sites.

Avec seulement ces changements mineurs, l'équipe a constaté une amélioration de la stabilité cinétique supérieure à 60 fois. Et Gross a déclaré que des recherches supplémentaires exploreraient comment améliorer encore la cinétique et l'activité globale de l'enzyme en expérimentant avec des séquences d'acides aminés pour créer des structures variantes. A travers ce travail, Gross s'attend à comprendre les règles de conception qui conduisent à de meilleures performances.

« Cette cutinase est une excellente candidate à la commercialisation, mais ce travail va aussi nous aider à reconcevoir d'autres cutinases pour décomposer d'autres polymères, et c'est un jeu final beaucoup plus vaste, " dit Gross.

"Stabilisation de la cutinase du compost de feuilles et de branches (LCC) avec glycosylation:mécanisme et effet sur l'hydrolyse du PET" a été publié dans Biochimie .