Descubren una enzima bacteriana capaz de degradar ciertos plásticos

El equipo de la Universidad de Constanza ha identificado una enzima apodada «Pac-Man» que puede degradar determinados poliésteres biodegradables. Su actividad también plantea interrogantes sobre una posible relación con la resistencia a los antibióticos, ya que también puede descomponer la penicilina.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Constanza (Alemania) ha identificado una enzima bacteriana capaz de degradar determinados poliésteres biodegradables y, al mismo tiempo, descomponer la penicilina. El hallazgo aporta nuevas pistas sobre los mecanismos que utilizan los microorganismos para descomponer algunos materiales plásticos y abre nuevas preguntas sobre la relación entre estos procesos y la resistencia a los antibióticos.

La enzima, denominada informalmente «Pac-Man» por la amplia abertura de su sitio activo —la zona donde se producen las reacciones químicas—, fue identificada durante una investigación sobre la degradación microbiana de plásticos biodegradables. Los resultados se publicaron en la revista científica The ISME Journal.

El estudio ha sido desarrollado por los biólogos Harry Lerner y David Schleheck, en colaboración con un equipo dirigido por el químico Stefan Mecking. La investigación se centró en los poliésteres alifáticos de cadena larga (LCAP, por sus siglas en inglés), una familia de materiales biodegradables que contiene enlaces químicos susceptibles de ser degradados por determinadas enzimas microbianas.

Los bioplásticos se degradaron en menos de un año

Para estudiar el proceso, los investigadores enterraron fragmentos de películas de LCAP en la capa superficial del suelo forestal del jardín botánico de la universidad, a unos diez centímetros de profundidad. También realizaron ensayos de laboratorio con suelo recogido en el mismo entorno, al que incorporaron bioplásticos pulverizados y cuya actividad microbiana siguieron durante un año.

Los resultados mostraron que todos los materiales plásticos biodegradables evaluados se degradaron por completo en aproximadamente entre 250 y 330 días. Como referencia, la celulosa utilizada en los ensayos se descompuso en unos 80 días.

El comportamiento fue muy diferente en el caso del polietileno de alta densidad (HDPE), un plástico convencional que apenas experimentó degradación durante las pruebas.

La comparación pone de relieve la importancia de la estructura química de los polímeros: algunos materiales contienen enlaces que las enzimas microbianas pueden romper, mientras que otros presentan estructuras mucho más resistentes a la degradación biológica.

Agujeros microscópicos revelan la actividad bacteriana

Al recuperar las películas de bioplástico del suelo, el equipo observó mediante microscopía electrónica numerosos orificios diminutos en su superficie. Su tamaño y forma coincidían aproximadamente con los de las células bacterianas individuales.

A partir de estas observaciones, los investigadores plantearon la hipótesis de que algunas bacterias podrían tener enzimas degradadoras de polímeros ancladas a su superficie celular. De este modo, los microorganismos podrían descomponer el material directamente en los puntos de contacto, penetrar en él y dejar las pequeñas cavidades observadas.

Para identificar los mecanismos implicados, el equipo analizó el ADN de las comunidades microbianas presentes en las muestras de suelo. El análisis metagenómico permitió detectar un gen cuya presencia aumentaba especialmente en las muestras que contenían LCAP.

Los investigadores determinaron que ese gen codifica la esterasa, una enzima capaz de romper determinados enlaces químicos de tipo éster. La proteína cuenta con una señal que facilita su secreción fuera de la célula y con un anclaje lipídico que la mantiene unida a la membrana bacteriana. Esta configuración permite que actúe sobre las moléculas de plástico próximas a la superficie del microorganismo.

Una posible conexión con la resistencia a los antibióticos

La investigación dio lugar a otro hallazgo inesperado. Aunque la enzima presentaba características propias de las esterasas, su estructura molecular también mostraba similitudes con las beta-lactamasas, una familia de enzimas bacterianas que puede inactivar determinados antibióticos, como la penicilina, al romper su anillo beta-lactámico.

Los ensayos de laboratorio confirmaron que la enzima identificada podía realizar ambas funciones: descomponer las cadenas de poliéster en sus unidades químicas básicas, denominadas monómeros, y romper la molécula de penicilina.

No obstante, los resultados no demuestran que esta enzima confiera resistencia a los antibióticos a las bacterias que la producen. La capacidad de descomponer penicilina en condiciones experimentales no basta, por sí sola, para establecer que desempeñe esa función en organismos vivos.

Implicaciones para el diseño de materiales biodegradables

El descubrimiento ofrece información sobre la capacidad de adaptación de las comunidades microbianas a los materiales presentes en el medioambiente. Los plásticos constituyen una fuente potencial de carbono y energía, pero muchos polímeros convencionales son difíciles de degradar porque sus estructuras químicas no pueden ser atacadas eficazmente por los microorganismos.

La enzima «Pac-Man» demuestra que determinadas bacterias pueden actuar sobre algunos poliésteres biodegradables mediante mecanismos específicos. Sin embargo, los resultados no indican que los microorganismos puedan degradar de forma generalizada los residuos plásticos convencionales acumulados en el entorno: en los experimentos, el HDPE permaneció prácticamente intacto.

Por ello, los investigadores apuntan a la importancia de diseñar materiales con enlaces químicos susceptibles de degradación biológica. En el caso de los poliésteres estudiados, los enlaces éster hidrolizables pueden actuar como puntos de ruptura que facilitan la acción enzimática.