O plástico é, sem dúvida, uma das grandes invenções da humanidade. Ele é um material de produção fácil e versátil para produção de bens de consumo. O problema é que ele é descartável e composto por polímeros extremamente estáveis (ver parte 1 da Figura 4), podendo persistir no meio ambiente por centenas de anos quando descartado. Estima-se que a humanidade já tenha produzido 9 bilhões de toneladas de plástico [6] e que 80% dele é destinado a lixões e ao oceano, levando muitos séculos para se decompor.
Microplásticos são fragmentos do material que podem ser microscópicos ou chegar a até 5 milímetros. Segundo [1], várias espécies de animais sofrem com a ingestão de microplásticos.
O ser humano também sofre efeitos pela ingestão e inalação de microplásticos. Estima-se que o ser humano ingira o equivalente a um cartão de crédito ou uma peça retangular de lego por ano em microplásticos [1] (há quem diga que é por mês [6] ou por semana [2, 3]) e até 20kg ao longo da vida [2]. Ele pode ser absorvido pelos nossos órgãos, trazer danos às células, gerar reações inflamatórias e imunológicas. Podem ainda abrigar micróbios e liberar compostos químicos. Nem os bebês estão livres, já que as mamadeiras podem liberar até nanoplásticos, que tem dimensões ainda menores e são engolidas com o leite.
O Brasil é o quarto maior produtor de plástico do mundo [1], produzindo um volume de 11,3 milhões de toneladas por ano [5]. Cientistas do mundo inteiro vem estudando novas formas de reciclar e degradar o plástico [4].
Felizmente, bactérias estão na nossa frente e já desenvolveram enzimas capazes de degradar certos tipos de plásticos. Em 2016, pesquisadores descobriram nas proximidades de uma indústria de reciclagem de garrafas PET em Sakai, Japão, uma bactéria capaz de digerir esse material para obtensão de energia para sobreviver.
Os cientistas coletaram amostras ambientais contaminadas com detritos de PET, incluindo sedimentos, solo, águas residuais e lodo ativado de um local de reciclagem de garrafas PET. Usando essas amostras, eles identificaram microrganismos que poderiam usar filme PET como a principal fonte de carbono para crescimento. Uma amostra de sedimento continha um conjunto de microorganismos que induziu mudança morfológica no filme PET. Era uma mistura de bactérias, células semelhantes a de leveduras e protozoários e degradou a superfície do filme PET.
Eles então identificaram um enriquecimento de microorganismos dependentes nutricionalmente do PET e isolaram uma bactéria capaz de degradar e assimilar o PET. Essa bactéria foi denominada Ideonella sakaiensis. Nessa ocasião, o filme PET foi danificado extensivamente e quase completamente degradado após 6 semanas a 30°C.
Para identificar possíveis genes envolvidos na hidrólise do PET, eles montaram um rascunho da sequência de seu genoma e localizaram uma ORF (ISF6_4831) codificante de uma lipase putativa que compartilhava 51% de identidade de sequência de aminoácidos e resíduos catalíticos com uma hidrolase de Thermobifida fusca (TfH). Eles purificaram as proteínas recombinantes correspondentes e as incubaram com filme PET a 30°C por 18 horas. Os resultados sugeriram que a proteína ISF6_4831 hidrolisava o PET. A enzima foi denominada PETase [7].
Desde então, algumas dezenas de estruturas da PETase já foram resolvidas experimentalmente e estão disponíveis no PDB. A Figura 1 ilustra o processo de degradação do plástico poliéster (PET) em pedaços mais gerenciávels chamados monohidroxietil tereftalato (MHET). Mostra também a enzima MHETase que degrada o MET em seus constituintes etilenoglicol (EG) e ácido tereftálico (TPA).
Outros pesquisadores, com o apoio de métodos de Bioinformática, projetaram uma enzima modificada com maior capacidade de digestão de plástico e maior estabilidade térmica. Eles introduziram diversas mutações capazes de apromorar a capacidade enzimática.
Dois resíduos vizinhos foram mutados para cisteínas na intenção de introduzir uma ponte dissulfeto que torna a enzima mais estável ao calor. Duas outras mutações reduziram o volume dos resíduos que flanqueiam o sítio ativo, tornando-o mais acessível às cadeias de polímeros plásticos. A PETase tem uma tríade catalítica clássica de serina-histidina-aspartato, como as de serino-proteases. A estrutura PDB ID 7vve é um bom exemplo desta enzima que você pode buscar no PDB. Ela foi resolvida com o ligante MHET e, para tanto, a serina foi trocada por alanina, para evitar a clivagem do substrato.
O desenvolvimento de enzimas capazes de digerir plástico ainda está em sua infância [8]. A identificação de enzimas com potencial de uso para este fim é uma tarefa muito desafiadora que deve ser abordada por meio de esforços combinados de microbiologistas, bioinformatas e especialistas bem treinados, fornecendo as ferramentas certas para verificar a real degradação com muito cuidado e precisão. Há no PubMed mais de 7.400 entradas sobre estudos de microorganismos plástico-ativos.
Abordagens baseadas em Inteligência Artificial para análise de dados de amostras de bactérias difíceis ou quase não cultiváveis são muito promissoras. Em combinação com análises ômicas e tecnologias analíticas sofisticadas, será possível identificar enzimas poliméricas ativas. O uso de RNAseq, metabolômica e proteômica trará mais pistas sobre os principais genes envolvidos na degradação de polímeros.
Conte para nós o que achou desse tão importante impacto que a Bioinformática pode ter na conservação do meio ambiente e da reciclagem de materiais como o plástico.
Referências
[1] Você está comendo e inalando plástico sem perceber, CNN Brasil. https://www.cnnbrasil.com.br/saude/voce-esta-comendo-e-inalando-plastico-sem-perceber/
[2] Já comeste plástico hoje? Podemos chegar a ingerir 20 quilos, ao longo da vida. https://www.publico.pt/2020/12/09/p3/noticia/ja-comeste-plastico-hoje-podemos-chegar-ingerir-20-quilos-longo-vida-1942268
[3] Ingerimos um cartão de crédito em plástico por semana, diz estudo. https://www.gazetadopovo.com.br/viver-bem/saude-e-bem-estar/respiramos-comemos-cartao-credito-plastico-por-semana-estudo/
[4] Molecule of the Month: Plastic-eating Enzymes. https://pdb101.rcsb.org/motm/277
[5] Gigante pelo próprio lixo que produz. https://br.boell.org/pt-br/2021/01/18/gigante-pelo-proprio-lixo-que-produz#:~:text=Isso%20faz%20com%20que%20o,dif%C3%ADcil%20fica%20reverter%20a%20situa%C3%A7%C3%A3o.
[6] O futuro do plástico, Revista Superinteressante. https://super.abril.com.br/ciencia/o-futuro-do-plastico/
[7] Yoshida, Shosuke, et al. “A bacterium that degrades and assimilates poly (ethylene terephthalate).” Science 351.6278 (2016): 1196-1199.
[8] Chow, Jennifer, et al. “Microbial enzymes will offer limited solutions to the global plastic pollution crisis.” Microbial Biotechnology (2022).
OnlineBioinfo 