Un enzima per la degradazione e riciclaggio del polietilene tereftalato (PET)

Rinaldo Cervellati.

La notizia è riportata da Melissae Fellet in uno speciale dell’ultimo numero di Chemistry & Engineering News on-line (28 febbraio 2018).

Ricercatori americani sono riusciti a inserire uno zucchero in un enzima batterico che potrebbe migliorarne la capacità di degradare il polietilene tereftalato (PET), favorirne il riciclo, evitando quindi che finisca in discarica (Abhijit N. Shirke et al., Stabilizing leaf and branch compost cutinase (LCC) with glycosylation: Mechanism and effect on PET hydrolysis, Biochemistry, 2018, DOI: 10.1021/acs.biochem.7b01189).

Le bottiglie di acqua minerale, bevande, shampoo, ecc. in polietilene tereftalato (PET), una delle plastiche più comuni e usate, vengono in genere riciclate macinandole in piccole scaglie, che vengono poi utilizzate per fabbricare prodotti come contenitori di plastica, tappeti, e altri materiali. Ma alcuni di questi manufatti non possono più essere riciclati e finiscono nelle discariche o nell’ambiente. Usando enzimi per degradare il PET in glicole etilenico e acido tereftalico, i riciclatori potrebbero usare gli ingredienti recuperati per produrre nuove bottiglie di plastica della stessa qualità. Tale processo consentirebbe di riciclare ripetutamente il materiale, contribuendo a risolvere il problema sempre crescente dei rifiuti di plastica.

Rifiuti di plastica

I funghi fitopatogeni responsabili di alcune malattie delle piante usano enzimi chiamati cutinasi per saponificare gli esteri contenuti nella cutina danneggiando così i tessuti vegetali. Sebbene di origine non ben chiara le cutinasi sono simili a enzimi batterici. E’ noto che le cutinasi, particolarmente quella delle foglie (LCC), possono anche “digerire” il PET scomponendolo nei suoi ingredienti monomerici. Le cutinasi degradano il PET più efficacemente a circa 75 ° C, una temperatura alla quale le catene di PET si allentano aprendo spazi fra di esse. Le cutinasi vanno a occupare questi spazi e fanno il loro lavoro degradando la plastica. Tuttavia l’enzima non funziona a lungo a queste temperature perché inizia a aggregarsi con se stesso inattivandosi.

Nel lavoro citato all’inizio, Richard A. Gross del Rensselaer Polytechnic Institute a Troy NY, responsabile della ricerca e i suoi collaboratori hanno cercato di impedire alla LCC di formare questi aggregati inattivi.

Il Gruppo del Prof. Gross (al centro)

Essi hanno pensato di inserire zuccheri in posizioni strategiche, in modo da mantenere intatta la struttura dell’enzima anche a temperature elevate, creando cioè barriere fisiche che rendessero più difficile la formazione degli aggregati.

Sebbene i batteri non rivestano naturalmente le loro proteine ​​con zuccheri, come invece succede per le cellule eucariote, i ricercatori hanno notato tre siti sulla cutinasi in cui le cellule eucariote potrebbero aggiungere una breve stringa di zuccheri. Utilizzando tecniche di ingegnera genetica hanno programmato un lievito, eucariota, per produrre una cutinasi batterica originariamente isolata da microbi trovati nel compost di foglie e rami. Dopo aver prodotto la cutinasi, le cellule hanno naturalmente glicosilato l’enzima nei siti previsti.

Struttura della cutinasi glicosilata: in rosso i siti glicosilati, in verde i siti attivi

I ricercatori hanno purificato la cutinasi glicosilata e ne hanno valutato la tendenza all’aggregazione studiando la luce diffusa attraverso una soluzione dell’enzima a varie temperature.

La cutinasi glicosilata ha iniziato ad aggregarsi e disperdere la luce a temperature intorno agli 80 ° C, mentre l’enzima non glicosilato ha diffuso molta più luce a partire da 70 ° C, formando anche ammassi visibili in alcuni test. La cutinasi glicosilata, lavorando a temperatura e concentrazione ottimali, ha degradato più PET rispetto alla proteina non glicosilata.

La maggiore stabilità e attività della cutinasi glicosilata è un grande passo avanti verso l’ottimizzazione dell’enzima al fine di una sua commercializzazione, dice Gross.

“Questa tecnologia potrebbe contribuire a rendere più degradabile una delle plastiche maggiormente utilizzate”, afferma Lucia Gardossi dell’Università di Trieste, che utilizza gli enzimi per produrre plastiche rinnovabili.

Non molto tempo fa la Cina riciclava circa la metà dei rifiuti di plastica e carta del pianeta. Ma l’anno scorso, la Cina ha vietato l’importazione di 24 tipi di rifiuti solidi, lasciando gli altri Paesi alla ricerca di soluzioni efficaci per smaltire montagne di plastica.

Montagna di rifiuti di plastica

“Il problema dei rifiuti di plastica è così urgente, e lo sviluppo di soluzioni per la gestione della plastica così veloce, da farmi ritenere che un enzima efficace come questo troverà applicazioni pratiche in poco tempo”, ha detto Gardossi.

*Tradotto e adattato da c&en news, web: February 28, 2018

5 thoughts on “Un enzima per la degradazione e riciclaggio del polietilene tereftalato (PET)

  1. In realtà il riciclo meccanico del PET è quello che tiene in piedi economicamente tutto il riciclo degli imballaggi. In discarica non dovrebbe finire nemmeno una bottiglia di PET. La via del “bio-degrado” è perniciosa perché aumenta l’usa e getta e il ricorso alla discarica. La nostra salvezza, come specie, sta nell’economia circolare, non nello sperpero di risorse. Il mezzo non consente l’approfondimento, capisco di scriverlo presto e male, ma questi concetti sono alla base dell’ambientalismo basato sulla scienza

    • La Dott. Castiglione sostiene che il riciclo meccanico, cioè la frantumazione, sarebbe il metodo che tiene in piedi economicamente tutto il riciclo degli imballaggi. A parte il fatto che ciò implica una raccolta e selezione differenziata completa di tutti i contenitori in PET, Melissa Fellet nella notizia pubblicata da C&EN news, afferma che a lungo andare il ciclo meccanico porta a un prodotto privo delle caratteristiche originali del PET, non riutilizzabile. Usando l’enzima modificato riportato nell’articolo citato, il polimero si degrada nei suoi componenti etilene e acido tereftalico, che possono rientrare in un nuovo ciclo di produzione.
      E’ ovvio che occorreranno altri studi di fattibilità prima dell’applicazione pratica del nuovo enzima (concetto alla base di tutta la scienza), tuttavia i risultati della ricerca dei colleghi americani sono incoraggianti, come afferma anche la Prof. Lucia Gardossi, Dip. di Scienze Chimiche e Farmaceutiche, Università di Trieste.
      Infine, entrambi i metodi riciclano, penso che nessuno intenda mandare in discarica gli scarti di PET.

      • Gentile Rinaldo: forse non è a conoscenza che il PET si separa molto bene dalla raccolta differenziata degli imballaggi e quindi non è necessario isolarlo prima. Purtroppo in molte parti del mondo (compresi molti comuni italiani) la raccolta differenziata non si fa o si fa male. Comunque il riciclo del PET non è un problema nelle nazioni dove la raccolta differenziata esiste, anzi se ce ne fosse di più sarebbe prontamente ri-utilizzato (Cina o non Cina). Gli USA fanno ancora troppo ricorso alle discariche. La priorità non è degradare ma “upgradare”, cosa che con il PET riesce benissimo. E che forse Melissa Fellet non ha ben considerato, così come non ha considerato che esistono già impianti di depolimerizzazione del PET.

      • Dott. Castiglione la ringraziamo dell’intervento ma diciamo che non tutti sono d’accordo con le sue posizioni; da una parte c’è chi si lamenta della incostante qualità del prodotto che si ottiene (per esempio qui: http://www.adnkronos.com/sostenibilita/risorse/2018/03/22/riciclo-pet-problema-della-qualita_9GL1MW6TRUDoUVs7au5BcI.html) e dall’altra il fatto che le procedure attuali di riciclo lo degradano, almeno in parte, è ben presente in letteratura con conseguenti minori proprietà meccaniche del PET; aggiungerei che alcuni tipi di cariche nanometriche usate per ridurre le perdite gassose possono peggiorare la situazione; il riciclo chimico invece che meccanico del PET, citato nell’articolo, è una possibile strada alternativa per avere proprietà costanti nel prodotto finale e poterlo riciclare molte volte. Quello che lei lamenta nel suo primo intervento non corrisponde al contenuto del nostro post ossia dell’articolo citato in quanto gli enzimi sarebbero usati per RICICLARE il PET e certamente non in discarica. Piuttosto diciamo che il successo nel riciclo PET è un caso sostanzialmente unico nel panorama dei polimeri, e inoltre è un caso in cui avere successo significa aver usato tanta acqua minerale che è una delle voci principali del mercato PET, mentre una visione verde dovrebbe evitare o meglio proprio scoraggiare questo tipo di consumi. In conclusione occorre riciclare il PET che si usa e questo si può fare in due modi (meccanico e chimico) e una parte della letteratura oggi si sta orientando in modo crescente verso modalità innovative di sviluppo del riciclo chimico e non meccanico che appare invece la tecnologia dominante al momento in alcuni mercati; ma come lei sa la tecnologia evolve. Come divulgatori noi ci occupiamo di questi sviluppi più recenti e futuribili; lasciamo ad altri il compito di vendere le tecnologie esistenti. Esistono ottime reviews in merito come questa: Waste Manag. 2017 Nov;69:24-58. doi: 10.1016/j.wasman.2017.07.044. Epub 2017 Aug 18. Per esempio sulla questione che pone del miglioramento delle proprietà del PET io immagino che lei si riferisca ai cosiddetti chain extender della BASF e di altri produttori; è certo una tecnologia interessante anche se come tutte queste tecniche è basata su un patching tecnologico non necessariamente da considerarsi immutabile e comunque si tratta pur sempre di prodotti di sintesi da testare ancora per lungo tempo prima di poterli ritenere completamente sicuri. A me risulta che in un recente testo sul tema (Reactive Extrusion: Principles and Applications di Günter Beyer,Christian Hopmann, Wiley 2018) gli autori scrivono che in maggioranza i chain extender sono prodotti tossici e difficili da usare a contatto con i cibi. Ripeto a ciascuno il suo mestiere: noi facciamo (ricerca e ) divulgazione.

  2. Pingback: Il riciclo “di fatto” della plastica. | La Chimica e la Società

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