As enzimas que podem tornar mais barato reciclar os resíduos de poliéster do que produzi-los a partir do petróleo

Criado a partir do refino do petróleo, o PET é um material conhecido por sua durabilidade e versatilidade. É facilmente moldado, possui ótima barreira, resistência, brilho e transparência e é amplamente usado com embalagens flexíveis, rígidas e semi rígidas.

“A realidade é que a maioria dos produtos PET – especialmente roupas e carpetes PET – não são reciclados hoje usando tecnologias convencionais de reciclagem “, explicou Gregg Beckham, pesquisador sênior do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) e CEO do Departamento de Energia dos EUA BOTTLE Consórcio. “A comunidade de pesquisa está desenvolvendo alternativas promissoras, incluindo enzimas projetadas para despolimerizar o PET, mas mesmo essas opções tendem a se apoiar em etapas de pré-processamento caras e com alto consumo de energia para serem eficazes.”

Como resultado, a maior parte do PET produzido hoje acaba indo parar em aterros sanitários ou no meio ambiente – até mesmo os produtos PET que chegam à lixeira.

Ainda assim, Beckham disse que a narrativa está mudando rapidamente. Métodos avançados em aprendizado de máquina e biologia sintética deram aos cientistas uma visão sem precedentes da biologia fundamental das enzimas de desconstrução de PET. Conforme detalhado em um artigo publicado na Nature Communications , Beckham e seus colegas da University of Portsmouth e da Montana State University usaram esses métodos para descobrir novas variantes de enzimas que prometem desconstruir até mesmo o PET mais resistente sem pré-processamento extra.

Isso não apenas significa que estamos à beira da reciclagem enzimática para todas as formas de PET, incluindo carpetes e roupas, mas também significa que em breve poderá ser mais barato reciclar o PET do que produzi-lo do zero com petróleo.

Enzimas extraordinárias escondidas na sujeira

O conceito de reciclagem enzimática de PET é conhecido desde 2005, mas surgiu no cenário mundial em 2016 depois que cientistas japoneses fizeram uma descoberta surpreendente. Enterrada na sujeira do lado de fora de uma instalação de reciclagem no Japão, uma bactéria que eles apelidaram de Ideonella sakaiensis secretava silenciosamente enzimas que desconstruíam velhas garrafas plásticas de bebidas espalhadas.

A natureza forneceu uma solução elegante para quebrar as ligações químicas do PET. De alguma forma, a natureza estava demonstrando como transformar as garrafas PET de volta nos componentes básicos de que eram feitas: ácido tereftálico e etileno glicol.

Seguiu-se uma enxurrada de pesquisas. Os cientistas buscaram aprimorar as enzimas para uso em tecnologias industriais equipadas para lidar com os milhões de toneladas de PET produzidas todos os anos. Se melhorada, eles hipotetizaram, uma plataforma de reciclagem enzimática poderia reformular os sistemas de reciclagem de baixo desempenho de hoje, reduzir a energia e as emissões de gases de efeito estufa e promover uma economia circular para todos os produtos PET – até mesmo carpetes e tecidos não recicláveis ​​com tecnologias convencionais.

“A literatura científica se iluminou com novos artigos de todo o mundo, à medida que os pesquisadores perceberam o potencial de utilizar enzimas para quebrar os plásticos”, disse John McGeehan, cientista que liderou a contribuição da equipe da Universidade de Portsmouth (UoP) em o Reino Unido. “Especialistas de áreas tão diversas como farmacêutica e biocombustíveis foram capazes de reaproveitar décadas de experiência em pesquisa em engenharia de enzimas.”

De fato, Beckham, McGeehan e seus colegas foram os principais atores no esforço global para melhorar a reciclagem enzimática de PET. Em uma série de artigos frequentemente citados publicados entre 2018 e 2021, a equipe caracterizou as enzimas, melhorou sua eficiência em seis vezes e analisou o impacto ambiental e econômico da reciclagem de PET em escala industrial. Um documento correspondente de 2022 avaliou os impactos do ciclo de vida de um futuro sistema de reciclagem enzimática de PET.

Esses estudos obtiveram resultados mensuráveis. Ao tratar o PET por 48 horas em um biorreator, eles mostraram que era possível transformar quase 98% do plástico de volta em ácido tereftálico e etileno glicol – blocos de construção reciclados de alta qualidade para fazer novas garrafas PET ou até mesmo plásticos avançados projetados para serem mais facilmente reciclável.

“Foi uma experiência incrível estar em um campo que estava se expandindo tão rapidamente”, acrescentou McGeehan. “Estamos chegando a um ponto em que a ciência colaborativa tem um enorme potencial para acelerar o desenvolvimento e a implantação de soluções baseadas em enzimas em grande escala”.

Apesar dos rápidos avanços, porém, surgiu uma barreira importante para a reciclagem enzimática em escala industrial.

As enzimas foram eficazes apenas em uma pequena porcentagem de produtos PET – aqueles feitos de PET “amorfo”. Eles lutaram para desconstruir as variedades “cristalinas” altamente comuns e duráveis ​​de PET sem primeiro amolecê-las com alto calor e energia extra. O PET cristalino compreende quase 90% de todo o PET produzido, incluindo fibras de poliéster em roupas e peças de garrafas de bebidas descartáveis.

O que os cientistas precisavam eram enzimas mais aptas a quebrar o PET cristalino. Se ao menos eles pudessem encontrar outras enzimas comedoras de plástico escondidas em algum lugar na terra.

‘Cavando’ para novas enzimas com aprendizado de máquina

Felizmente, a equipe não precisou de uma pá para cavar em busca de novas variedades de enzimas. Avanços em bioinformática e aprendizado de máquina já possibilitaram a prospecção de vastos bancos de dados de sequências enzimáticas existentes para variedades ativas em PET cristalino.

“Abordagens tradicionais para mapear novas enzimas que comem plástico a partir de bancos de dados podem ser ineficazes, uma vez que enzimas muito semelhantes em sua composição química podem não reter necessariamente a atividade de desconstrução de plástico”, disse o cientista computacional do NREL Japheth Gado.

Para contornar esse desafio, Gado construiu um modelo estatístico para aprender as regras biológicas das conhecidas enzimas de desconstrução de plástico. O modelo atribuiu probabilidades à composição única de enzimas estudadas até o momento. Gado também construiu um modelo complementar de aprendizado de máquina para prever a tolerância ao calor das enzimas, importante para aplicações industriais.

Juntos, os dois modelos computacionais permitem que Gado e seus colegas projetem no desconhecido. Em menos de uma hora, eles analisaram mais de 250 milhões de proteínas para criar uma pequena lista de candidatos promissores. Testes adicionais confirmaram que 36 foram capazes de desconstruir o PET e 24 não foram descritos anteriormente na literatura científica.

É importante ressaltar que vários foram ainda melhores em quebrar o PET cristalino do que o PET amorfo.

“Essas novas enzimas não são apenas geneticamente diversas”, explicou Gado. “Eles são estruturalmente diversos com geometrias variadas dos locais ativos.”

Gado pode falar com confiança sobre a estrutura das 24 novas enzimas porque viu como elas se parecem – pelo menos em renderizações 3D fornecidas por pesquisadores da DeepMind, uma subsidiária da Alphabet. Conhecido por mapear “todo o universo da proteína” com sua ferramenta de aprendizado profundo AlphaFold, o DeepMind caracterizou as enzimas para que a equipe pudesse comparar as enzimas lado a lado e observar suas diferenças.

Todos eram capazes de desconstruir o PET, mas vários pareciam muito diferentes uns dos outros. De acordo com Gado, as renderizações do DeepMind fornecem pistas valiosas sobre como as enzimas de desconstrução de plástico agem no PET.

“Métodos de IA de última geração nos ajudam a encontrar padrões nos dados da enzima que fornecerão uma melhor compreensão sobre o que faz uma boa enzima comedora de plástico ”, acrescentou Gado. “Isso nos permitirá melhorar as enzimas com engenharia de proteínas e encontrar outras enzimas na natureza que sejam semelhantes em termos de desempenho.”

Foi outro avanço de uma equipe de pesquisa já prolífica e um passo mais perto de realizar a reciclagem de PET em escala.

Mais barato e mais ecológico: análise quantifica as vantagens da reciclagem enzimática de PET

Limpeza, trituração e aquecimento – etapas necessárias para preparar o PET para a desconstrução – estão entre os fatores de sustentabilidade mais importantes de uma instalação de reciclagem enzimática em escala industrial, de acordo com Beckham.

“Minimizar essas etapas de pré-processamento é fundamental para tornar o custo da reciclagem enzimática competitivo com a criação de resina PET a partir do petróleo”, explicou.

Em experimentos de acompanhamento, a equipe observou que algumas das enzimas sinalizadas por seus métodos de aprendizado de máquina eram igualmente eficazes na quebra de PET cristalino e amorfo. Essas enzimas simplesmente não precisavam de pré-processamento para ajudar a amolecer as ligações do plástico.

“Ao eliminar o pré-processamento, a tecnologia pode permitir a reciclagem de PET em escala industrial, que é realmente mais barata do que a produção de PET virgem usando petróleo”, acrescentou Beckham. “Ainda melhor, pode reduzir as emissões associadas de energia e gases de efeito estufa.”

Em artigo anterior publicado na Joule em 2021, a equipe já havia quantificado as vantagens econômicas e ambientais do uso de enzimas ativas no PET cristalino. Em uma instalação em escala industrial, isso poderia reduzir os requisitos de energia da cadeia de suprimentos em 45% e as emissões de gases de efeito estufa do ciclo de vida em 38% em comparação com sistemas que usam pré-processamento.

As vantagens econômicas são igualmente impressionantes. Ao desconstruir carpetes e roupas de PET – não recicláveis ​​com tecnologias convencionais – eles também podem produzir ácido tereftálico por menos de US$ 1 por quilo. O ácido tereftálico derivado do petróleo tem sido historicamente vendido entre US$ 1 e US$ 1,50 por quilo.

“Nossa plataforma enzimática cria um incentivo econômico para limpar nossos oceanos”, disse Erika Erickson, ex-pesquisadora de pós-doutorado do NREL que conduziu grande parte do trabalho experimental por trás dos estudos. “A esse preço, a poluição do PET pode ser reciclada de forma acessível em novos produtos de PET ou encontrar uma nova finalidade em pás de turbinas eólicas ou pára-choques de fibra de carbono.”

Os produtos PET pós-consumo, muitas vezes uma fonte de poluição hoje, podem ser transformados em recursos valiosos para apoiar uma economia de plásticos mais ambientalmente sustentável.

Não é difícil imaginar como isso pode inverter a narrativa sobre o plástico: o PET é tão barato para reciclar que a economia favorece jogá-lo na lixeira em vez da lixeira. Uma camiseta, um tapete, uma garrafa de refrigerante – tudo entra e começa sua jornada circular como blocos de construção para criar um mundo mais limpo e verde.

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Fonte: Erika Erickson et al, Fornecimento de andaimes termotolerantes de poli(etileno tereftalato) hidrolase da diversidade natural, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-35237-x