Comiendo plástico

Un equipo de investigadores del CSIC ha descubierto que la saliva del gusano de la cera degrada el plástico, lo que podría tener numerosas aplicaciones en el tratamiento o reciclaje de residuos plásticos. Este equipo descubrió en 2017 que esta especie de gusano (el lepidóptero Galleria mellonella) es capaz de descomponer el plástico (polietileno), y ahora han descubierto cómo lo hace: su saliva contiene unas enzimas (de la familia fenol oxidasa) que inicia la degradación del polietileno en poco tiempo y a temperatura ambiente. Estas enzimas son las primeras y únicas que se conocen capaces de degradar el plástico polietileno sin pre-tratamiento, según indica Federica Bertocchini, investigadora del CSIC en el Centro de Investigaciones Biológicas (CIB-CSIC) que ha dirigido el estudio. Los resultados del trabajo, pendiente de revisión, se han publicado en preprint en el repositorio BioRxiv. El estudio ha contado con financiación de la Fundación Roechling (Alemania).

“Para degradar el plástico es necesario que el oxígeno penetre en el polímero (en la molécula de plástico). Este primer paso de oxidación, que normalmente es resultado de la exposición a la luz solar o a altas temperaturas, es un cuello de botella que ralentiza la degradación de plásticos como el polietileno, uno de los más resistentes”, explica Bertocchini. “Por eso, en condiciones ambientales normales el plástico tarda meses o años en degradarse”, añade la investigadora.

“Ahora hemos descubierto que las enzimas de la saliva del gusano de la cera realizan este paso crucial: oxidan el plástico. Así, permiten superar el cuello de botella de la degradación del plástico y acelerar su descomposición”, añade.

El polietileno es uno de los plásticos más resistentes y utilizados. Junto al polipropileno y al poliestireno, integran el 70% de la producción total de plásticos. La contaminación por plásticos supone una amenaza para la salud y el medioambiente del planeta, por lo que es urgente encontrar soluciones para hacer frente a los residuos plásticos.

Una de las áreas de investigación más prometedoras y con más potencial es la degradación de plásticos utilizando medios biológicos. Este proceso se conoce como biodegradación y está asociado a microorganismos como bacterias y hongos. Sin embargo, hasta le fecha, solo un puñado de microorganismos pueden romper los resistentes polímeros plásticos del polietileno. Y, además, en la mayoría de los casos es necesario un pretratamiento agresivo que asegure la oxidación y permita así que los microorganismos tengan algún efecto (aunque lento) sobre el plástico.

Gusanos ‘come-plástico’

Hace pocos años se abrió un nuevo campo de investigación: se observó que algunos insectos del género de los lepidópteros y los coleópteros eran capaces de degradar polietileno y poliestireno. “En nuestro laboratorio descubrimos el insecto que parece ser el más rápido de todos: las larvas del lepidóptero Galleria mellonella, conocido como gusano de la cera”, detalla Bertocchini. “Estas larvas eran capaces de oxidar y descomponer los polímeros del plástico en muy poco tiempo (tras apena una hora de exposición)”.

“En los últimos años se ha intentado averiguar cómo estos insectos consiguen hacer algo así. Muchos estudios se han centrado en los microorganismos que viven en el sistema digestivo de estos gusanos, partiendo de la suposición de que los gusanos pueden usar el plástico como alimento y que la degradación sería resultado de su actividad metabólica y del proceso digestivo”, recuerda la investigadora. “Pero esta suposición es muy cuestionable, por lo que nuestra investigación se ha centrado desde el principio en la cavidad bucal de los gusanos”, indica.

“Hemos observado con detenimiento el comportamiento del gusano de la cera en presencia de polietileno y hemos descubierto que las enzimas presentes en la saliva del gusano (es decir, el líquido recogido de la boca del insecto) son capaces de degradar polietileno”, sostiene Bertocchini. “El polímero en contacto con la saliva se oxida y se despolimeriza en unas pocas horas. Hemos identificado residuos degradados que se forman en presencia de su saliva”, detalla.

Además, este equipo de investigadores ha analizado la saliva con microscopía electrónica y ha observado un alto contenido en proteínas. “En la saliva hemos aislado dos enzimas que pueden reproducir la oxidación causada por el conjunto de la saliva”, indica la investigadora. Estas dos proteínas, bautizadas como Demetra y Ceres, pertenecen a la familia de las enzimas fenol-oxidasas.

“Hemos descubierto que la enzima Demetra mostraba un efecto importante sobre el polietileno, dejando marcas (pequeños cráteres) visibles a simple vista en la superficie del plástico; este efecto también quedó confirmado por la aparición de productos de la degradación formados tras la exposición del polietileno a esta enzima; la enzima Ceres oxida el polímero, aunque sin dejar marcas visibles, sugiriendo que las dos enzimas tienen un efecto diferente sobre el polietileno”, resume.

El funcionamiento de las enzimas fenoles-oxidasas

Los fenoles son moléculas que las plantas usan como defensa contra enemigos potenciales, como por ejemplo las larvas de insectos. Por lo tanto, los insectos podrían producir enzimas fenol-oxidasas como una vía para oxidar los fenoles de las plantas, y así neutralizarlos, lo que les permitiría alimentarse de las plantas sin peligro. Los fenoles también están presentes en muchos aditivos plásticos, lo que podría convertirlos en dianas para estas enzimas y crear las condiciones necesarias para la oxidación y la despolimerización del plástico. “Hasta la fecha, esto es solo una especulación y serán necesarios más experimentos para profundizar en el mecanismo de acción enzimática”, advierten los investigadores.

Otra pregunta aún más interesante es averiguar cómo los insectos de la cera adquirieron esta capacidad. Los investigadores aventuran que podría deberse a un proceso evolutivo. “Los gusanos de la cera se alimentan de la cera de las colmenas y de polen de especies de plantas muy diversas. Si se tiene en cuenta que la cera de las colmenas está llena de fenoles, este tipo de enzimas sería muy útil para los gusanos. Indirectamente, esto explicaría por qué los gusanos de la cera pueden descomponer el polietileno. Sin embargo, hasta el momento esta teoría es solo una especulación y serán necesarios más estudios que combinen la biología de los insectos con la biotecnología."

Referencia
A. Sanluis-Verdes, P. Colomer-Vidal, F. Rodríguez-Ventura, M. Bello-Villarino, M. Spinola-Amilibia, E. Ruiz-López, R. Illanes-Vicioso, P. Castroviejo, R. Aiese Cigliano, M. Montoya, P. Falabella, C. Pesquera, L. González-Legarreta, E. Arias-Palomo, M. Solà, T. Torroba, C.F. Arias, F. Bertocchini. Wax worm saliva and the enzymes therein are the key to polyethylene degradation by Galleria mellonella. Biorxiv. DOI: 10.1101/2022.04.08.487620v1

24 mayo 2022

CSIC Comunicación