Oceani di Plastica, Microbi di Speranza: A Caccia di Enzimi Mangia-Rifiuti

Ragazzi, parliamoci chiaro: la plastica è un problema gigantesco. Stiamo parlando di circa 7 miliardi di tonnellate di rifiuti di plastica già sparsi nel nostro ambiente, e ne produciamo oltre 20 milioni di tonnellate ogni anno. È una montagna che cresce a dismisura e soffoca il pianeta. I metodi tradizionali per gestirla, come inceneritori e discariche, sono tutt’altro che sostenibili e, diciamocelo, fanno più male che bene all’ambiente.

L’Impasse Attuale e la Scintilla della Biotecnologia

Certo, c’è il riciclo, ma finora solo il 9% della plastica prodotta è stato effettivamente riciclato. Una goccia nell’oceano, letteralmente. La plastica è fatta di polimeri complessi, catene lunghissime di molecole che impiegano centinaia di anni per decomporsi in microplastiche, e alcune di queste potrebbero non sparire mai del tutto. Dobbiamo trovare modi più rapidi ed efficaci per sbarazzarcene.

Una strada promettente è quella delle plastiche biodegradabili, progettate per essere decomposte dai microbi. Fantastico, no? Beh, quasi. Produrle costa tempo e denaro, e la loro decomposizione richiede impianti di gestione dei rifiuti molto specifici e ben gestiti, altrimenti rischiano persino di peggiorare il problema. Inoltre, spesso i “pezzetti” in cui si decompongono non sono a loro volta biodegradabili.

Un’altra via, forse ancora più affascinante, è quella di scovare enzimi specifici, prodotti da microbi particolari, che siano in grado di “digerire” la plastica. La ricerca ha già mostrato che alcuni enzimi possono farlo. Avete presente l’enzima PETase dell’Ideonella sakaiensis? È capace di attaccare il PET, una delle plastiche più comuni (quella delle bottiglie, per intenderci). Identificare questi “spazzini molecolari” nei microbi è una speranza concreta per affrontare l’inquinamento da plastica e magari dare una mano anche contro il riscaldamento globale.

La Sfida: Trovare i “Campioni” della Degradazione

Finora, la ricerca di questi enzimi si è basata molto su tecniche di coltura in laboratorio: isolare batteri specifici e vedere cosa sanno fare. Così sono stati scoperti molti degli enzimi noti. Ma c’è un “ma”: oltre il 99% delle specie microbiche non si lascia coltivare facilmente in laboratorio! Per questo, oggi si usano approcci “omici”, basati sull’analisi diretta del DNA estratto dall’ambiente (metagenomica). Si cercano sequenze genetiche simili a quelle di enzimi noti o si fanno test funzionali per vedere se un campione ambientale mostra attività di degradazione.

Il problema è che, nonostante oltre vent’anni di ricerche, abbiamo trovato pochissimi enzimi davvero efficienti per un uso industriale. Spesso quelli identificati sono instabili, specialmente ad alte temperature. E perché ci servono enzimi “termoresistenti”? Perché la plastica diventa più flessibile e “attaccabile” dagli enzimi proprio quando fa caldo. Molti studi cercano quindi di “ingegnerizzare” gli enzimi scoperti per renderli più potenti e resistenti.

Mancava però un metodo per valutare sistematicamente il potenziale di tutti gli enzimi presenti in un campione ambientale. Ed è qui che entriamo in gioco noi.

La Nostra Idea: IPDE, il Detective Computazionale

Abbiamo pensato: se un ambiente è molto inquinato dalla plastica, è probabile che i microbi che lì ci vivono si siano adattati, magari sviluppando enzimi più efficaci per usare quella plastica come “cibo”. Quindi, questi microbi e i loro enzimi dovrebbero essere più abbondanti dove c’è più plastica. Logico, no? Già uno studio precedente aveva notato una correlazione tra l’abbondanza di gruppi di enzimi noti e i livelli di inquinamento.

Noi volevamo fare un passo avanti: sviluppare un metodo computazionale per scovare singoli enzimi nuovi e promettenti direttamente dai dati metagenomici, correlandoli con le misurazioni dell’inquinamento da plastica.

Così è nato IPDE (Identification of Plastic-Degrading Enzymes). Questo strumento analizza l’abbondanza di geni (rappresentati come Kegg Orthologs – KO – o numeri EC) nei campioni metagenomici e la confronta con i livelli di inquinamento da plastica misurati (o stimati) nelle stesse aree. Usando analisi statistiche (correlazione di Pearson e Spearman, test di significatività, controllo del tasso di falsi positivi con il metodo Benjamini-Hochberg), IPDE identifica i geni (e quindi gli enzimi) la cui abbondanza è significativamente correlata all’inquinamento.

Abbiamo applicato IPDE a dati provenienti da due grandi progetti:

• Tara Oceans: 41 campioni di microbiomi oceanici globali, con abbondanza di geni (KO) e dati sulle specie microbiche (OTU).
• Global Soil Microbiome: 44 campioni di suolo da diverse località geografiche, per cui abbiamo ricostruito l’abbondanza enzimatica (numeri EC).

Per entrambi, abbiamo associato ai campioni le misurazioni di inquinamento da plastica più vicine disponibili in letteratura (non erano misurazioni dirette per *quei* campioni specifici, ma il miglior dato che avevamo).

Cosa Abbiamo Scovato? Tesori Nascosti negli Oceani e nel Suolo

I risultati sono stati elettrizzanti!

• Negli oceani, IPDE ha identificato 50 enzimi potenzialmente legati alla degradazione della plastica.
• Nei campioni di suolo, ne abbiamo trovati ben 86.

In totale, 136 candidati enzimatici! Ma la cosa più interessante è che, analizzando la letteratura scientifica, abbiamo scoperto che almeno il 46% di questi 136 enzimi è classificabile come “altamente probabile” che abbia un ruolo nella degradazione della plastica. Questo significa che i prodotti delle reazioni che catalizzano sono noti per essere coinvolti in questo processo, anche se magari manca la prova sperimentale diretta proprio su *quell’enzima* specifico.

Facciamo un esempio: l’enzima oceanico K00094 (galattitolo-1-fosfato 5-deidrogenasi). Partecipa al metabolismo del galattosio e agisce sul galattitolo, un componente di un tipo di plastica (copoliestere). Bingo! Inoltre, molte ossidoreduttasi (la sua “categoria”) sono note per degradare plastiche. Un altro esempio? K00113 (glicerolo-3-fosfato deidrogenasi subunità C). Catalizza una reazione che coinvolge il glicerolo, usato come plastificante. Anche qui, il collegamento è forte.

Oltre a questi, un ulteriore 31% degli enzimi identificati (21 oceanici e 21 del suolo) sono stati classificati come “probabili” degradatori di plastica, perché la letteratura suggerisce un loro ruolo, anche se le prove sui prodotti di reazione sono meno dirette. Ad esempio, l’enzima K01851 (salicilato biosintesi isocorismato sintasi) è codificato in cluster genici di batteri noti per degradare plastificanti e partecipa alla sintesi del salicilato, che può migliorare la degradabilità idrolitica dei polimeri plastici.

Un dettaglio affascinante: ben 18 dei 50 enzimi oceanici e 15 degli 86 del suolo usano il NAD (nicotinamide adenina dinucleotide) o suoi derivati nelle loro reazioni. Il NAD è cruciale nel metabolismo per le reazioni di ossido-riduzione. Questo suggerisce che queste reazioni siano fondamentali per “smontare” la plastica e che, forse, più enzimi devono lavorare insieme.

Il Potere del Teamwork: Le Combinazioni Enzimatiche

Visto che i singoli enzimi spesso non bastano, ci siamo chiesti: e se cercassimo combinazioni di enzimi che lavorano insieme in modo sinergico? IPDE è stato progettato anche per questo. Cerca gruppi di enzimi che non solo sono correlati all’inquinamento, ma che tendono anche a comparire insieme negli stessi campioni più spesso di quanto ci si aspetterebbe per caso.

Abbiamo trovato:

• 43 combinazioni significative negli oceani.
• 12 combinazioni significative nel suolo.

Queste combinazioni (da 2 a 4 enzimi ciascuna) erano statisticamente significative e più presenti nei campioni più inquinati rispetto ai singoli enzimi che le compongono, suggerendo proprio un effetto sinergico.

Per capire se queste combinazioni avessero anche un senso biologico, abbiamo controllato se gli enzimi al loro interno partecipassero agli stessi percorsi metabolici noti (usando il database KEGG). Ebbene sì! Il 20% delle combinazioni conteneva enzimi che lavorano sulla stessa “linea di montaggio” metabolica. Ad esempio, nella combinazione oceanica K01525-K01690-K01676, gli ultimi due enzimi (K01690 e K01676) fanno parte del metabolismo del carbonio. Inoltre, K01525 e K01676 sono entrambi legati al NAD, suggerendo una collaborazione. Dato che questi due erano già classificati come “altamente probabili” degradatori, forse anche il terzo (K01690) lo è!

Inoltre, quasi il 60% delle combinazioni oceaniche conteneva coppie di enzimi legati al NAD o enzimi idrolasi, rafforzando l’idea che queste collaborazioni non siano casuali. Queste combinazioni sono una novità assoluta e rappresentano piste preziose per la ricerca futura.

I Microbi Dietro le Quinte

Ovviamente, dietro ogni enzima c’è un microbo! Abbiamo usato un approccio simile per identificare le specie microbiche (sotto forma di Operational Taxonomic Units, OTU) la cui abbondanza negli oceani fosse correlata all’inquinamento. Ne abbiamo trovate 86. La stragrande maggioranza (72) apparteneva al phylum Proteobacteria, e molte (45) alla classe Alphaproteobacteria.

Ci siamo concentrati sui 20 OTU per cui avevamo informazioni almeno a livello di genere. Sorprendentemente, specie o ceppi appartenenti a ben 18 di questi 20 generi sono già stati associati in letteratura alla degradazione della plastica! Ad esempio, 7 OTU appartenevano al genere Defluviicoccus, batteri noti per trovarsi su sedimenti plastici e associati a diatomee che crescono sulla plastica.

Cosa Significa Tutto Questo e Prossimi Passi

Il nostro lavoro, tramite lo strumento IPDE, ha messo sul tavolo una lista di 136 enzimi candidati, 55 combinazioni enzimatiche potenzialmente sinergiche e decine di microbi associati alla degradazione della plastica. È un bel bottino! Circa la metà degli enzimi ha forti probabilità di essere coinvolta attivamente, e un altro terzo ha comunque legami interessanti. Le combinazioni sono una frontiera nuova ed eccitante.

Questi risultati sono una miniera d’oro per futuri studi sperimentali: i ricercatori ora hanno candidati specifici da testare in laboratorio, da studiare nel dettaglio, magari da modificare con l’ingegneria proteica per renderli ancora più performanti e, si spera, utilizzabili su scala industriale per attaccare davvero il problema dei rifiuti plastici.

Abbiamo anche reso lo strumento IPDE liberamente accessibile (su GitHub), così altri ricercatori potranno usarlo sui loro dati e magari scoprire ancora più enzimi in altri ambienti.

Certo, ci sono dei limiti. Abbiamo usato dati di inquinamento “presi in prestito”, non misurati direttamente negli stessi campioni del DNA. Avere dati accoppiati migliorerebbe sicuramente i risultati. Inoltre, abbiamo guardato solo a oceani e suolo; altri ambienti potrebbero nascondere altri tesori enzimatici. E ovviamente, IPDE fa previsioni: la validazione sperimentale resta fondamentale per confermare il ruolo e l’efficacia di questi enzimi e combinazioni.

Nonostante questo, siamo convinti che questo approccio computazionale sia un passo avanti importante. Speriamo che le nostre scoperte stimolino nuove ricerche e che IPDE diventi uno strumento utile per la comunità scientifica nella lotta contro l’inquinamento da plastica. Il potenziale nascosto nei microbiomi del nostro pianeta è immenso, dobbiamo solo imparare a trovarlo e usarlo!

Fonte: Springer