Descubren la enzima "Pac-Man" que devora plásticos y revela un secreto sorprendente

La contaminación por plásticos se ha convertido en uno de los problemas ambientales más persistentes a nivel global. La acumulación de grandes cantidades de plástico en los océanos, que a menudo forman enormes islas de desechos, pone en riesgo la vida marina. La mayoría de los plásticos convencionales se descomponen de manera extremadamente lenta, ya que los microorganismos tienen dificultades para digerir los polímeros sintéticos que los componen. En lugar de desaparecer, estos materiales se fragmentan en partículas cada vez más pequeñas, incluidas microplásticos y nanoplásticos.

No obstante, la basura plástica no está completamente fuera del alcance de la naturaleza. Bacterias y otros microorganismos pueden colonizar sus superficies, formando comunidades conocidas como biofilms. Estos grupos crean un ecosistema microbiano distintivo que los científicos han denominado "plastisfera".

Un equipo de investigadores de la Universidad de Konstanz descubrió una enzima inusual que podría explicar cómo algunas bacterias se están adaptando para descomponer ciertos tipos de plástico. Esta enzima puede digerir poliésteres específicos y plásticos biodegradables, pero también tiene una capacidad inesperada: descomponer penicilina, lo que sugiere una posible conexión con la resistencia a antibióticos.

Los científicos apodaron a esta enzima como la "enzima Pac-Man" debido a su estructura molecular que presenta una abertura notablemente amplia donde ocurren las reacciones químicas, conocida como sitio activo. Este hallazgo sugiere que las bacterias pueden estar adaptándose para digerir ciertos materiales plásticos más rápidamente de lo que los investigadores habían creído anteriormente.

Sin embargo, los hallazgos también resaltan una limitación importante. Para que los microorganismos hagan una diferencia significativa en la reducción de la contaminación plástica, sería necesario que más productos plásticos se fabricaran a partir de materiales biodegradables que contengan enlaces químicos que los microbios puedan descomponer.

Investigación sobre la descomposición de bioplásticos

Para investigar cómo los microorganismos digieren plásticos biodegradables, los biólogos Harry Lerner y David Schleheck de la Universidad de Konstanz estudiaron todo el proceso de descomposición microbiana. Quisieron determinar no solo si los materiales podían ser descompuestos por completo, sino también qué microorganismos eran responsables y qué mecanismos biológicos les permitían hacerlo.

Los investigadores examinaron la composición de las comunidades microbianas involucradas y analizaron su información genética colectiva (metagenoma). Este enfoque les permitió buscar genes que pudieran producir enzimas capaces de descomponer polímeros plásticos.

Los experimentos se centraron en poliésteres alifáticos de cadena larga (LCAP), una clase de materiales plásticos biodegradables desarrollados por un equipo de investigación liderado por el químico Stefan Mecking. Estos materiales contienen enlaces químicos que ciertos microorganismos pueden descomponer, a diferencia de las estructuras más resistentes que se encuentran en muchos plásticos convencionales.

Los hallazgos colaborativos fueron publicados en The ISME Journal.

Para observar cómo se comportaban los bioplásticos en un entorno natural, el equipo enterró muestras debajo de la superficie del suelo del jardín botánico de la universidad.

"Enterramos pequeños trozos de film de bioplástico LCAP en la capa superior de humus en el bosque del jardín botánico de la universidad, a unos diez centímetros de profundidad", explicó Harry Lerner.

El humus es la capa superior del suelo rica en materia orgánica en descomposición, donde los microorganismos desempeñan un papel fundamental en el reciclaje de nutrientes. La celulosa es el componente estructural principal de las paredes celulares de las plantas, mientras que la cutina es un poliéster de origen natural que ayuda a formar la cubierta protectora externa de las plantas.

Los investigadores seleccionaron este entorno porque sus microorganismos ya poseen la maquinaria biológica necesaria para descomponer materiales naturales complejos.

Desaparición de bioplásticos en aproximadamente un año

Junto con el experimento al aire libre, los científicos llevaron a cabo pruebas de laboratorio utilizando suelo recolectado del mismo bosque. Mezclaron plásticos biodegradables en polvo con el suelo y monitorearon la actividad microbiana durante un año completo.

Una medición importante fue la cantidad de dióxido de carbono (CO2) liberado de las muestras. A medida que los microorganismos consumen y metabolizan materiales orgánicos, producen dióxido de carbono a través de la respiración. Rastrear este gas ayudó a los investigadores a determinar cuán activamente los microbios estaban descomponiendo los plásticos.

Los films plásticos enterrados permanecieron en el suelo del bosque durante un año completo, lo que permitió al equipo comparar la descomposición en condiciones naturales con los experimentos de laboratorio cuidadosamente monitoreados.

Para evaluar los resultados, los científicos también probaron celulosa, otros plásticos biodegradables, plástico convencional de polietileno y muestras de suelo sin materiales añadidos.

"La celulosa, otros tipos de bioplásticos como PHBV y PCL, así como el plástico de alta densidad (HDPE) y el suelo no tratado se usaron como controles en el laboratorio. Encontramos que todos los materiales bioplásticos se degradaron completamente en aproximadamente 250 a 330 días. La celulosa se descompuso después de aproximadamente 80 días, mientras que prácticamente no ocurrió degradación para el HDPE", dijo Lerner.

La diferencia fue notable. Mientras que los plásticos biodegradables se descompusieron completamente en aproximadamente nueve a once meses, el polietileno de alta densidad mostró casi ninguna descomposición.

Estos resultados demuestran por qué la composición química del plástico es tan importante. Algunos polímeros contienen enlaces que las enzimas microbianas pueden atacar, lo que permite a las bacterias desmantelarlos en moléculas más pequeñas. Otros, como el polietileno ampliamente utilizado, son mucho más resistentes a la degradación biológica.

Hoyos misteriosos revelan cómo las bacterias comen plástico

Cuando los investigadores recuperaron los films plásticos del suelo del bosque, descubrieron algo inesperado.

Utilizando microscopía electrónica, que puede revelar estructuras demasiado pequeñas para ser vistas con un microscopio de luz ordinario, el equipo examinó las superficies de los materiales enterrados. Encontraron numerosos hoyos diminutos, cada uno aproximadamente del tamaño y forma de una célula bacteriana individual.

El patrón inusual sugirió que las bacterias estaban haciendo más que simplemente adherirse al plástico. Parecían estar penetrando en el material mismo.

"Hipotetizamos que las bacterias están recubiertas con plasticodepolimerasas ancladas a sus superficies celulares. Esto les permitiría digerir su camino hacia el material y quedar incrustadas dentro del film, dejando atrás hoyos microscópicos de este tipo", explica Lerner.

Las depolimerasas son enzimas que descomponen grandes moléculas llamadas polímeros en unidades químicas más pequeñas. Si estas enzimas están unidas directamente al exterior de una bacteria, podrían permitir al microorganismo digerir el material circundante mientras permanece en estrecho contacto con él.

Esto ayudaría a explicar las cavidades microscópicas observadas en los films plásticos. En lugar de depender completamente de las enzimas liberadas en el medio ambiente, las bacterias podrían ser capaces de descomponer el material directamente en sus superficies.

Identificación de la enzima "Pac-Man" que devora plásticos

Para encontrar la maquinaria biológica detrás de este comportamiento inusual, Lerner extrajo ADN de toda la comunidad de microorganismos que viven en las muestras de suelo.

Luego secuenció el material genético y analizó cuidadosamente los extensos datos para determinar qué microbios y genes se volvieron especialmente abundantes a medida que los bioplásticos se descomponían.

Un gen destacó. Se enriqueció notablemente específicamente en el suelo del bosque que contenía LCAP, lo que sugiere que podría desempeñar un papel importante en la descomposición del poliéster biodegradable.

Un análisis adicional reveló que el gen produce una esterase, un tipo de enzima capaz de dividir ciertos enlaces químicos encontrados en ésteres. Estos enlaces están presentes en muchas sustancias de origen natural, así como en varios poliésteres biodegradables.

Lo que hizo que esta enzima particular fuera especialmente interesante fue cómo estaba posicionada en las células bacterianas.

Sus instrucciones genéticas incluían una señal de secreción que dirige la enzima fuera de la célula, junto con un ancla lipídica que la mantiene firmemente unida a la membrana celular.

Este arreglo significa que la enzima puede permanecer unida a la superficie de la bacteria mientras ataca moléculas plásticas cercanas. Su sitio activo inusualmente expuesto también proporciona espacio para que la enzima interactúe con las cadenas poliméricas.

Los investigadores habían identificado el mecanismo molecular que buscaban, junto con la enzima que nombraron "Pac-Man".

Una conexión sorprendente con la resistencia a antibióticos

El descubrimiento se volvió aún más intrigante cuando los científicos examinaron la estructura molecular de la enzima.

Aunque se asemejaba a las esterases, que son conocidas por descomponer enlaces éster, también compartía similitudes estructurales con otra familia importante de enzimas bacterianas: las beta-lactamasas.

Estas enzimas son bien conocidas por su papel en la resistencia a antibióticos. Algunas bacterias producen beta-lactamasas que desactivan antibióticos como la penicilina al romper una parte crítica de su estructura química, conocida como el anillo beta-lactámico.

"Su estructura se asemeja a la de las esterases, pero también a la de las beta-lactamasas, que son enzimas bacterianas capaces de romper el anillo beta-lactámico de ciertos antibióticos, como la penicilina, volviendo así a las bacterias resistentes a los antibióticos", dice Lerner.

Experimentos de laboratorio confirmaron que la enzima recién descubierta era capaz de realizar ambos tipos de reacciones químicas.

Podía romper cadenas de poliéster en sus bloques de construcción individuales, conocidos como monómeros, mientras también rompía penicilina.

Esta actividad dual fue particularmente sorprendente porque la degradación de plásticos y la descomposición de antibióticos generalmente se consideran funciones biológicas separadas.

El hallazgo plantea la posibilidad de que algunas enzimas involucradas en la descomposición de plásticos también podrían contribuir a la resistencia a antibióticos. Sin embargo, demostrar que una enzima puede descomponer químicamente la penicilina en el laboratorio no establece que proporcione resistencia a antibióticos a las bacterias vivas.

¿Pueden las bacterias que devoran plásticos ayudar a resolver la contaminación plástica?

El descubrimiento también plantea una pregunta más amplia sobre cuán rápidamente los microorganismos pueden adaptarse a los materiales sintéticos introducidos en su entorno.

Durante la mayor parte de la historia de la Tierra, la contaminación plástica no existía. Los microorganismos evolucionaron enzimas para digerir sustancias de origen natural, incluidas fibras vegetales y otras moléculas orgánicas complejas.

Los plásticos modernos han introducido una enorme nueva colección de posibles fuentes de carbono en el medio ambiente, pero muchos de estos materiales siguen siendo químicamente inaccesibles para los microbios.

"La plastisfera es un nuevo hábitat en nuestro entorno", explica Schleheck.

"Los humanos solo han comenzado a introducir plásticos en el medio ambiente en cantidades significativas durante alrededor de 50 a 75 años. Desde entonces, ha estado teóricamente disponible para comunidades microbianas - como bacterias, levaduras y hongos - como una fuente adicional de carbono y energía para su crecimiento. Al decir 'teóricamente', me refiero a que ciertamente les gustaría usar el plástico como sustrato de crecimiento, pero no pueden, porque los materiales son indigestibles para el metabolismo microbiano y, por lo tanto, se degradan poco".

La enzima Pac-Man sugiere que esta barrera puede no ser absoluta para cada tipo de plástico.

Algunas bacterias parecen ser capaces de utilizar enzimas especializadas para atacar poliésteres biodegradables, lo que potencialmente les permite explotar estos materiales como fuentes de energía y nutrientes.

Para los científicos que estudian la contaminación plástica, el hallazgo ofrece una pista prometedora sobre cómo podría mejorarse la degradación biológica. También sugiere que las comunidades microbianas podrían estar adaptándose a ciertos polímeros sintéticos más rápidamente de lo que se había anticipado.

Sin embargo, los resultados no significan que las bacterias sean de repente capaces de consumir las enormes cantidades de plástico convencional que ya se acumulan en el medio ambiente. Los experimentos mostraron que el polietileno permaneció en gran medida sin afectar, incluso cuando los plásticos biodegradables se descomponían.

En cambio, los investigadores enfatizan la importancia de diseñar materiales que los microorganismos puedan digerir realmente.

"Encuentro esto alentador, porque parece que las bacterias pueden adaptarse a descomponer plásticos de poliéster más rápido de lo que esperábamos. Para abordar el problema ambiental de la contaminación plástica, nosotros, los humanos, necesitamos trabajar con las capacidades de los microbios. Idealmente, esto implicaría utilizar solo polímeros con puntos de ruptura bioquímicos, como los enlaces éster hidrolizables en poliésteres como LCAP u otros tipos de bioplásticos", concluye Schleheck.

El descubrimiento ofrece un vistazo a un enfoque potencialmente más sostenible para la producción de plásticos. En lugar de esperar que los microorganismos descompongan materiales que son naturalmente resistentes a la descomposición, los científicos podrían desarrollar plásticos con estructuras químicas que hagan posible el reciclaje biológico. La enzima Pac-Man ilustra cómo las bacterias pueden explotar estos puntos débiles moleculares, ofreciendo una nueva perspectiva sobre la relación entre la contaminación plástica, la adaptación microbiana y el futuro de los materiales biodegradables.