Enzima projetada por IA come recipientes de plástico inteiros

Uma enzima degradante de plástico aprimorada por alterações de aminoácidos projetadas por um algoritmo de aprendizado de máquina pode despolimerizar tereftalato de polietileno (PET) pelo menos duas vezes mais rápido e em temperaturas mais baixas do que a próxima enzima melhor projetada.

Seis anos atrás, cientistas vasculhando os detritos de uma fábrica de reciclagem de garrafas plásticas descobriram uma bactéria que pode degradar o PET . O organismo tem duas enzimas que hidrolisam o polímero primeiro em mono-(2-hidroxietil) tereftalato e depois em etilenoglicol e ácido tereftálico para usar como fonte de energia.

Uma enzima em particular, a PETase, tornou-se alvo de esforços de engenharia de proteínas para torná-la estável em temperaturas mais altas e aumentar sua atividade catalítica. Uma equipe em torno de Hal Alper , da Universidade do Texas em Austin, nos EUA, criou uma PETase que pode degradar 51 produtos PET diferentes, incluindo recipientes e garrafas de plástico inteiros.

Uma rede neural ajudou a equipe a decidir como modificar o andaime de proteína. O algoritmo foi treinado pela primeira vez em 19.000 proteínas de tamanho semelhante, embora com funcionalidades muito diferentes. Para cada um dos 290 aminoácidos da PETase, o programa verificou se ela se encaixa bem em seu ambiente estrutural imediato em comparação com outras proteínas. Um aminoácido que não se encaixa bem pode ser uma fonte de instabilidade, e o algoritmo sugere um aminoácido diferente em seu lugar, explica Alper.

Alper diz que o aprendizado de máquina está se tornando cada vez mais poderoso quando se trata de identificar os efeitos da alteração de aminoácidos fora do sítio ativo. Isso significa que pode equilibrar o trade-off evolutivo entre atividade e estabilidade.

Das milhões de combinações possíveis, os pesquisadores se concentraram em três substituições de aminoácidos sugeridas. Combinado com duas modificações de um esforço anterior de engenharia PETase, eles projetaram uma enzima que é ‘altamente, altamente ativa, especialmente em temperaturas mais baixas, em comparação com qualquer outra coisa que existe’, diz Alper.

A 50°C, a enzima é quase duas vezes mais ativa na hidrolisação de uma pequena amostra de um recipiente de comida PET do que outra PETase modificada a 70°C. A enzima até despolimerizou uma bandeja de bolo de plástico inteira em 48 horas, e a equipe mostrou que pode fazer um novo item de plástico a partir do lixo degradado.

A enzima projetada foi capaz de quebrar um recipiente de plástico não tratado em 48 horas

“O que eu realmente gostei em seu estudo é o fato de que eles também o levaram para fora do laboratório até certo ponto”, diz Sarah Kakadellis , que estuda a bioeconomia do plástico no Imperial College London, Reino Unido. Em vez de apenas testar a enzima em filmes PET amorfos de um fornecedor de laboratório, a equipe de Alper usou pequenos pedaços de produtos PET comprados no supermercado local.

“É uma melhoria drástica em comparação com outras enzimas que foram desenvolvidas até agora”, diz Kakadellis. Mas, como outras enzimas, ela luta com plásticos mais cristalinos. Para degradar garrafas PET altamente cristalinas, a equipe de Alper derrete as garrafas para tornar o plástico amorfo.

“Este estudo provou que o método de aprendizado de máquina é útil na engenharia de enzimas”, diz Bian Wu , da Academia Chinesa de Ciências, cuja equipe criou uma PETase modificada diferente em 2021. O algoritmo, ele aponta, conseguiu descobrir certas modificações que foram ignorados por outros métodos. Enquanto Wu está impressionado com a eficácia da nova PETase, ele adverte que a temperatura ideal de trabalho da enzima de 50°C ‘não é adequada para degradação de alta temperatura – [ela] deve estar em algum lugar perto da temperatura de transição vítrea do PET – nem pode atender as necessidades de degradação in situ’.

Ainda não se sabe se a despolimerização enzimática será usada para reciclagem em larga escala. A maior parte do PET em todo o mundo é reciclada não por despolimerização, mas por fusão e remodelação – mas suas propriedades se deterioram a cada ciclo. Existem alguns métodos de despolimerização química , mas estes geralmente são altamente intensivos em energia.

“A grande vantagem das enzimas é que elas podem ser muito mais específicas do que os catalisadores químicos”, explica Kakadellis. “Poderia ser mais fácil, em teoria, degradar um fluxo de resíduos muito mais diversificado usando enzimas.” Alper acrescenta que a degradação de todos os diferentes plásticos que acabam nas lixeiras é um dos principais desafios que qualquer abordagem de reciclagem deve resolver. Sua equipe continua investigando os aspectos práticos da reciclagem enzimática, bem como expandindo para polímeros além do PET.

“Existem muitos outros fluxos de plástico que são muito mais difíceis de degradar porque não são poliésteres, são poliolefinas”, diz Kakadellis. “O principal é conter o fluxo de plástico na frente.”

Fonte : H Lu et al, Nature, 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04599-z