PETasa

Las PETasas son una clase de enzimas esterasas que catalizan la descomposición (mediante hidrólisis ) del plástico tereftalato de polietileno (PET) en mono-2-hidroxietil tereftalato (MHET) monomérico .

La reacción química idealizada es:

(tereftalato de etileno) _n + H ₂ O → (tereftalato de etileno) _{n -1} + MHET,

donde n es el número de monómeros en la cadena polimérica , aunque una cantidad traza de PET se descompone en su lugar en tereftalato de bis(2-hidroxietilo) (BHET). ^{[ 1 ]} Las PETasas también pueden descomponer el plástico PEF ( polietileno-2,5-furandicarboxilato ), que es un sustituto del PET de origen biológico, en el análogo MHEF . Las PETasas no pueden catalizar la hidrólisis de poliésteres de alquilo como el succinato de polibutileno o el ácido poliláctico . ^{[ 2 ]}

Mientras que la degradación del PET por medios naturales (no enzimáticos) tardará cientos de años, las PETasas pueden degradarlo en cuestión de días. ^{[ 3 ]}

La primera PETasa se descubrió en 2016 a partir de la bacteria Ideonella sakaiensis cepa 201-F6 encontrada en muestras de lodo recolectadas cerca de una planta de reciclaje de botellas de PET japonesa . ^{[ 1 ] [ 4 ]} Anteriormente se conocían otros tipos de hidrolasas que degradaban el PET, ^{[ 2 ]} incluyendo lipasas, esterasas y cutinasas. ^{[ 5 ]} En comparación, se sabe que existen enzimas que degradan el poliéster al menos desde 1975 (en el caso de la α- quimotripsina ) ^{[ 6 ]} y 1977 ( lipasa ). ^{[ 7 ]}

El plástico PET se popularizó en la década de 1970 y se ha sugerido que las PETasas en bacterias evolucionaron recientemente. ^{[ 2 ]} La PETasa podría haber tenido actividad enzimática previa asociada con la degradación de productos naturales de poliéster elaborados por angiospermas . ^{[ 8 ]}

Hasta abril de 2019, se conocían 17 estructuras cristalinas tridimensionales de PETasas: 6QGC , 6ILX , 6ILW , 5YFE , 6EQD , 6EQE , 6EQF , 6EQG , 6EQH , 6ANE , 5XJH , 5YNS , 5XFY , 5XFZ , 5XG0 , 5XH2 y 5XH3 .

La PETasa presenta características compartidas con lipasas y cutinasas, ya que posee un plegamiento de α/β-hidrolasa ; sin embargo, la hendidura del sitio activo observada en la PETasa es más abierta que en las cutinasas. ^{[ 2 ]} La PETasa de Ideonella sakaiensis es similar a la dienelactona hidrolasa, según Pfam . Según ESTHER, pertenece a la familia de la poliésterasa-lipasa-cutinasa.

Existen aproximadamente 69 enzimas similares a la PETasa presentes en diversos organismos, y se clasifican en dos tipos: tipo I y tipo II. Se estima que 57 enzimas pertenecen al tipo I, mientras que el resto se clasifica como tipo II, incluyendo la enzima PETasa presente en Ideonella sakaiensis . En las 69 enzimas similares a la PETasa, el sitio activo contiene los mismos tres residuos, lo que sugiere que el mecanismo catalítico es idéntico en todas ellas. ^{[ 9 ]}

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  Superficie del mutante doble de PETasa ( R 103 G y S 131 A ) con HEMT (1-(2-hidroxietil) 4-metil tereftalato) unido a su sitio activo . HEMT es un análogo de MHET y tiene un grupo metanol esterificado adicional . PDBID: 5XH3.
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  Diagrama de cintas de la PETasa con tres residuos: Ser160, Asp206 e His237. La tríada catalítica está representada por varillas de color cian. El sitio activo se muestra en naranja para representar la estimulación por una molécula de 2-HE(MHET) _{₄ .} ^{[ 9 ]}

El descubrimiento de PETasa de I. sakaiensis proporciona una solución potencial a la acumulación mundial de plástico; sin embargo, las enzimas naturales tienen capacidades de degradación limitadas debido a la inestabilidad, la baja actividad y los niveles de expresión, lo que en última instancia impulsa la necesidad de mejorarlas si se van a utilizar para aplicaciones industriales a gran escala. ^{[ 10 ]} La mayoría de las estrategias implementan mutagénesis dirigida al sitio para crear una versión mejorada, conocida como variante o mutante, de la enzima. Una variante aumentó la actividad de PETasa en un 22,4% al reemplazar la arginina por alanina en la cadena de aminoácidos en la posición 280. ^{[ 11 ]} De manera similar, se creó un mutante doble para restringir el sitio activo y se volvió un 4,13% más activo que el tipo silvestre. ^{[ 12 ]} Comparativamente, otros dos mutantes dobles crearon enlaces de hidrógeno adicionales que mejoraron la estabilidad de PETasa. Otros enfoques exitosos para mejorar la estabilidad de PETasa incluyen la adición de Ca ²⁺ o Mg ²⁺ , enlaces disulfuro y puentes salinos , así como la glicosilación . ^{[ 10 ]} En cuanto a la estabilidad térmica, otro mutante doble mostró un aumento en comparación con el tipo silvestre. ^{[ 11 ]} Además, el bucle de conexión β1-β2 de la enzima también podría ser un objetivo futuro para mejorar la estabilidad térmica debido a su flexibilidad y distancia del sitio activo. ^{[ 13 ]}

En I. sakaiensis , el MHET resultante se degrada aún más por la acción de la enzima MHETasa en ácido tereftálico y etilenglicol . ^{[ 1 ]} Los experimentos de laboratorio demostraron que las proteínas quiméricas que unen artificialmente una MHETasa y una PETasa superan a mezclas similares de enzimas libres. ^{[ 15 ]}

• Plastivore
• Galleria mellonella , una oruga que puede digerir polietileno .
• Aspergillus tubingensis y Pestalotiopsis microspora : hongos que pueden digerir el poliuretano .
• Cutinasa , una enzima esterasa de forma geométrica similar.