Biodegradazione delle plastiche: ottimizzazione di enzimi microbici per la depolimerizzazione del PET

The accumulation of plastic waste represents one of the major environmental issues of recent decades. These wastes accumulate in all ecosystems, including aquatic ones, without degrading for years, releasing microplastics and nanoplastics that are harmful to the environment and human health. Current disposal methods, such as incineration and landfilling, do not provide a sustainable solution. For this reason, this study focuses on plastic biodegradation, which involves the breakdown of plastic waste through microorganisms.The objective of this research is to analyze different biocatalytic depolymerization systems to identify enzymes with a high plastic degradation capacity. Through protein engineering, enzymes with improved degradation efficiency compared to their wild-type variants have been obtained. In particular, the enzyme PETase, one of the most promising enzymes in this field, extracted from Ideonella sakaiensis, and its engineered variant DuraPETase-4M were studied. DuraPETase-4M was found to degrade 93.3% of amorphous PET powder and 69.8% of PET film within 96 hours. Additionally, the enzyme PE-H, derived from the marine bacterium Pseudomonas aestunigri, and its Y250S variant were analyzed. The Y250S variant exhibits an enhanced ability to degrade PET from commercial single-use plastics. Finally, the interaction between PETase and MHETase enzymes was investigated, leading to the creation of a chimeric enzyme capable of optimizing the entire PET degradation process. Although this promising results, this research does not provide a definitive solution to the problem, as it focuses on specific types of PET rather than the entire spectrum of existing plastics. The complexity of the issue requires further studies both to expand the applicability of these enzymes and to gain a better understanding of the harmful effects of plastic on the environment and human health.

L’accumulo di rifiuti plastici rappresenta una delle principali problematiche ambientali degli ultimi decenni. Questi rifiuti si accumulano in tutti gli ecosistemi, inclusi quelli acquatici, senza degradarsi per anni, rilasciando microplastiche e nanoplastiche dannose per l’ambiente e la salute umana. I metodi attuali di smaltimento, come l’incenerimento e il conferimento in discarica, non rappresentano una soluzione sostenibile. Per questo motivo, il presente elaborato si concentra sulla biodegradazione della plastica, ovvero la degradazione di questi rifiuti attraverso microrganismi. L’obiettivo di questo studio è analizzare diversi sistemi di depolimerizzazione biocatalitica per individuare enzimi con un’elevata capacità di degradazione della plastica. Tramite ingegneria proteica, sono stati ottenuti enzimi migliorati rispetto alle loro varianti wild type. In particolare, è stato studiato l’enzima PETasi, uno degli enzimi più promettenti in questo contesto, estratto da Ideonella sakaiensis, e la sua variante ingegnerizzata DuraPETasi-4M, capace di degradare il 93,3% di polvere di PET amorfo e il 69,8% di film di PET in 96 ore. Inoltre, è stato analizzato l’enzima PE-H, derivato dal batterio marino Pseudomonas aestunigri, e la sua variante Y250S, che mostra una maggiore capacità di degradazione del PET commerciale monouso. Infine, è stata studiata l’interazione tra gli enzimi PETasi e MHETasi, portando alla creazione di un enzima chimerico in grado di ottimizzare il processo di degradazione del PET. Sebbene i risultati siano promettenti, questa ricerca non fornisce ancora una soluzione definitiva al problema, poiché si concentra su specifiche tipologie di PET e non sull’intera gamma di plastiche esistenti. La complessità del problema richiede ulteriori studi sia per migliorare l’efficienza degli enzimi sia per comprendere meglio gli effetti nocivi della plastica sull’ambiente e sulla salute umana.