Questi batteri mangiano i rifiuti di plastica e poi li trasformano in prodotti utili

La prima volta che ho sentito parlare di Great Pacific Garbage Patch, pensavo fosse un brutto scherzo.

La mia incredulità si è presto trasformata in orrore quando ho capito che era reale. La zona dei rifiuti, nota anche come vortice dei rifiuti del Pacifico, è un'enorme raccolta di detriti nell'Oceano Pacifico settentrionale. Sebbene sia costituito da tutti i tipi di rifiuti generati dall’uomo, il i componenti principali sono minuscoli pezzi di microplastica.

Dalle cannucce ai sacchi della spazzatura, utilizziamo una quantità sorprendente di plastica, che spesso finisce nei delicati ecosistemi oceanici (e altri). Secondo il Centro per la diversità biologica, un'organizzazione senza scopo di lucro per la protezione delle specie in via di estinzione con sede in Arizona, ai tassi attuali di plastica è destinato a superare tutti i pesci nell’oceano entro il 2050.

Un nuovo studio vuole invertire la tendenza con la biologia sintetica. Progettando circuiti genetici in un “consorzio” batterico, il team ha riprogrammato due ceppi non solo per distruggere la plastica inquinante, ma anche per trasformare i rifiuti tossici in utile materiale biodegradabile. Ecologiche e versatili, queste plastiche riciclate possono essere utilizzate per produrre schiume, adesivi o persino nylon, il tutto senza gravare ulteriormente sull'ambiente.

La strategia non si limita solo al polietilene tereftalato (PET), uno dei tipi di plastica più comuni, testato nello studio, hanno affermato gli autori. “Il concetto e le strategie sottostanti sono potenzialmente applicabili… ad altri tipi di plastica” e potrebbero iniziare a illuminare la strada verso “una bioeconomia sostenibile”.

Un predatore di plastica naturale

La plastica ha contribuito a costruire la società moderna. Fatto di catene molecolari chiamate polimeri, è malleabile, versatile ed economico da produrre in serie. È anche notoriamente difficile da abbattere.

Per il dottor James Collins del MIT, la biologia sintetica può aiutarci a evitare di trasformare il pianeta in una terra desolata di plastica. Pionieri nell'ingegneria dei circuiti genetici sintetici, gli autori dello studio Collins e il bioingegnere Dr. Ting Lu dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign hanno affermato che i batteri geneticamente modificati potrebbero affrontare l'enigma della plastica a testa alta.

Sebbene tossica per la maggior parte degli organismi, la plastica è una fonte di energia per alcuni tipi di batteri e funghi. Questi batteri si trovano nel suolo, nell'oceano e persino nell'intestino degli animali enzimi specializzati per decomporre diversi tipi di plastica. Gli enzimi sono proteine che innescano o accelerano i processi biologici, aiutandoci ad esempio a digerire un pasto abbondante o a convertire il cibo in energia.

Sfortunatamente, questi ceppi naturali sono sensibili alla temperatura e all'acidità e spesso riescono a digerire solo la plastica già danneggiata dai raggi UV o da sostanze chimiche. Anche i ceppi che possono decomporre la plastica PET richiedono settimane o mesi per farlo e possono gestire solo piccoli volumi.

Un aggiornamento sintetico

Ecco dove la biologia sintetica brilla. Gli scienziati del settore utilizzano l’ingegneria genetica per conferire agli organismi nuove capacità – ad esempio, batteri che possono produrre insulina – o addirittura per costruire forme di vita completamente nuove mai viste prima in natura.

Prima del recente studio, gli scienziati avevano mappato diversi enzimi che i batteri utilizzano per mangiare la plastica. Hanno manipolato questi processi metabolici inserendo o eliminando materiale genetico, ad esempio per accelerare la loro capacità di masticare la plastica o per aggiungere enzimi che trasformano i rifiuti di plastica digeriti in nuovi polimeri più ecologici.

Non è stata un'operazione fluida. I metodi più vecchi funzionano su singoli ceppi batterici. Ma di fronte a grandi quantità di detriti, i batteri sono spesso sopraffatti. Pezzi di PET scomposti si accumulano internamente e inibiscono il metabolismo dei microbi, danneggiandone la salute.

Poi c'è la gobba tecnologica. La trasformazione dei rifiuti di plastica in prodotti utilizzabili richiede una complessa ingegneria genetica. Per raggiungere questo obiettivo, ha spiegato il team, era necessario costruire “percorsi di progettazione avanzati” che collegassero più enzimi per produrre il prodotto finale. Come dirigere una sinfonia genetica, questo aggiornamento sintetico ha richiesto una messa a punto di tutti i meccanismi cellulari interni dei batteri, un'impresa già abbastanza difficile quando si manipola un singolo ceppo.

Tuttavia, si chiedevano, se un ceppo non fosse in grado di svolgere efficacemente il lavoro. E il lavoro di squadra?

Una divisione del lavoro

In natura, vediamo che comunità microbiche multispecie lavorano insieme nella biodegradazione della plastica, ha affermato il team. Quindi hanno ampliato la forza lavoro batterica da un ceppo sintetico a un semplice ecosistema di due.

Al centro di questo ecosistema c’è la divisione del lavoro. Il PET si scompone in due componenti principali: acido tereftalico e glicole etilenico, con proprietà enormemente diverse. Le fonti alimentari miste sono il tallone d'Achille dei microbi: sono terribili multitasker metabolici, con percorsi per degradare una molecola che spesso sopprimono quelli di un'altra.

Qui, il team ha costruito la sua coppia dinamica partendo da due ceppi di Pseudomonas putida, un batterio a forma di Cheetos spesso presente nell’acqua e nel suolo inquinati. Un ceppo aveva un gusto per l'acido tereftalico, l'altro per il glicole etilenico. Questo particolare tipo di batteri è un tesoro nella ricerca sulla biodegradazione, poiché digerisce naturalmente molecole aromatiche come lo stirene, che è ampiamente utilizzato per produrre plastica e gomma. È anche facile da manipolare geneticamente e può adattarsi a nuovi percorsi metabolici, rendendola un punto di partenza perfetto.

In ciascun ceppo naturale, il team ha eliminato i geni coinvolti nel metabolizzare l’acido tereftalico o il glicole etilenico e ha aggiunto geni che consentivano loro di consumare l’altro componente.

Il risultato è stato un tag-team batterico. Ciascuno dei due ceppi era molto efficiente nel mangiare i rispettivi rifiuti di plastica, ma collaboravano bene anche quando venivano coltivati ​​insieme: nessuno dei due ceppi inibiva la dieta dell'altro. Entrambi si attaccavano alla propria fonte di cibo e prosperavano felicemente l'uno accanto all'altro.

A titolo di confronto, il team ha anche progettato un ceppo multitasking che mangia entrambi i sottoprodotti della plastica. Rispetto al tag team specializzato, il ceppo singolo ha impiegato molto più tempo per digerire i rifiuti sia individualmente che quando somministrati come miscela.

Cestino al tesoro

Ora che i batteri digerivano completamente i rifiuti di plastica, il team ha poi integrato diversi geni per trasformarli in nuovi materiali.

Innanzitutto, hanno ricablato entrambi i ceppi per produrre un polimero biodegradabile altamente promettente. La strategia ha funzionato eccezionalmente bene. In un test durato più di quattro giorni, i due ceppi hanno pompato il polimero desiderato a una velocità molto più elevata rispetto al ceppo singolo, producendone fino al 92% in più.

In un altro test, il sistema ha prodotto in modo efficiente una sostanza chimica spesso utilizzata per sintetizzare plastica e nylon, una sostanza notoriamente difficile da riciclare per i singoli ceppi utilizzando i rifiuti di plastica. Sono bastati alcuni scambi genetici e la divisione del lavoro ha generato prontamente la sostanza chimica bersaglio.

L'idea di il riciclo dei rifiuti di plastica non è una novità. In passato, gli scienziati hanno utilizzato calore, forza e sostanze chimiche per scomporre i rifiuti e ricostruirli in materiale utilizzabile. La bioconversione offre un percorso nuovo, più pulito ed efficiente. Tutte le reazioni avvengono all'interno dei microbi, collegando la degradazione dei rifiuti direttamente al prodotto desiderato in un unico passaggio. I microbi sono anche facili da coltivare in vasche di dimensioni industriali, rendendo possibile il riciclo della plastica su larga scala.

Lo studio porta avanti questa visione del bio-upcycling rendendo il processo più efficiente.

Un aspetto chiave dello studio, ha affermato il team, è che la divisione del lavoro è particolarmente importante per mettere a punto il processo di upcycling del PET. Con l’ulteriore sviluppo degli strumenti, ritengono che gli ecosistemi batterici sintetici potrebbero essere utilizzati per affrontare anche altri inquinanti e rifiuti plastici.

Immagine di credito: Marc Newberry / Unsplash

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• Fonte: https://singularityhub.com/2023/09/29/these-bacteria-eat-plastic-waste-and-then-transform-it-into-useful-products/