Una rivoluzione nella lotta all’inquinamento da plastica
La plastica è diventata una delle principali fonti di inquinamento a livello globale, con milioni di tonnellate di rifiuti che si accumulano negli oceani e nelle discariche ogni anno. Tuttavia, un gruppo di ricercatori ha sviluppato un metodo rivoluzionario che potrebbe trasformare il modo in cui affrontiamo questo problema. Utilizzando batteri specializzati, sono riusciti a convertire i rifiuti di polietilene in una seta di ragno biodegradabile, offrendo un approccio innovativo e sostenibile per combattere l’inquinamento da plastica.
La trasformazione della plastica in proteine
Un nuovo studio per un prodotto ad alto valore
Per la prima volta, gli scienziati sono riusciti a utilizzare batteri per trasformare la plastica di polietilene, comunemente usata in molti oggetti monouso, in un prodotto proteico di alto valore. Questo prodotto, che i ricercatori hanno definito ”seta di ragno bio-ispirata” per la sua somiglianza con la seta utilizzata dai ragni per tessere le loro ragnatele, ha applicazioni potenziali nel campo dei tessuti, dei cosmetici e persino della medicina.
La forza della seta di ragno
“La seta di ragno è il Kevlar della natura”, ha affermato Helen Zha, Ph.D., assistente professore di ingegneria chimica e biologica e uno dei ricercatori che guidano il progetto presso il Rensselaer Polytechnic Institute. “Può essere quasi forte quanto l’acciaio sotto tensione. Tuttavia, è sei volte meno densa dell’acciaio, quindi è molto leggera. Come bioplastica, è elastica, resistente, non tossica e biodegradabile”. Tutte queste caratteristiche la rendono un materiale ideale per un futuro in cui le risorse rinnovabili e l’evitamento dell’inquinamento da plastica persistente sono la norma, ha aggiunto Zha.
Combattere l’inquinamento da plastica
Il polietilene, presente in prodotti come sacchetti di plastica, bottiglie d’acqua e imballaggi alimentari, è il principale contributore all’inquinamento da plastica a livello globale e può impiegare oltre 1.000 anni per degradarsi naturalmente. Solo una piccola parte della plastica di polietilene viene riciclata, quindi i batteri utilizzati nello studio potrebbero aiutare a “riciclare” parte dei rifiuti rimanenti.
Il processo di conversione
Dalla plastica alla seta
Pseudomonas aeruginosa, il batterio utilizzato nello studio, può consumare naturalmente il polietilene come fonte di cibo. La squadra del RPI ha affrontato la sfida di ingegnerizzare questo batterio per convertire gli atomi di carbonio del polietilene in una proteina di seta geneticamente codificata. Sorprendentemente, hanno scoperto che i loro batteri appena sviluppati potevano produrre la proteina di seta con una resa che rivalizza con alcune ceppi di batteri più comunemente utilizzati nella biomanifattura.
Il processo biologico alla base di questa innovazione è qualcosa che le persone hanno impiegato per millenni. “Essenzialmente, i batteri stanno fermentando la plastica. La fermentazione è utilizzata per produrre e conservare tutti i tipi di alimenti, come formaggi, pane e vino, e nelle industrie biochimiche è utilizzata per produrre antibiotici, aminoacidi e acidi organici”, ha detto Mattheos Koffas, Ph.D., Dorothy e Fred Chau ’71 Career Development Constellation Professor in Biocatalisi e Ingegneria Metabolica, e l’altro ricercatore che guida il progetto, e che, insieme a Zha, è membro del Center for Biotechnology and Interdisciplinary Studies presso Rensselaer.
Per far fermentare la plastica ai batteri, questa viene prima “predigerita”, ha detto Zha. Proprio come gli esseri umani devono tagliare e masticare il cibo in pezzi più piccoli prima che il nostro corpo possa utilizzarlo, i batteri hanno difficoltà a mangiare le lunghe catene molecolari, o polimeri, che compongono il polietilene.
Nello studio, Zha e Koffas hanno collaborato con i ricercatori del Argonne National Laboratory, che hanno depolimerizzato la plastica riscaldandola sotto pressione, producendo una sostanza morbida e cerosa. Successivamente, il team ha posto uno strato di cera derivata dalla plastica sul fondo delle fiasche, che ha servito come fonte di nutrienti per la coltura batterica. Questo contrasta con la tipica fermentazione, che utilizza gli zuccheri come fonte di nutrienti.
“È come se, invece di nutrire i batteri con la torta, li stessimo nutrendo con le candele sulla torta”, ha detto Zha.
Poi, mentre una piastra riscaldante agitava delicatamente il contenuto delle fiasche, i batteri si mettevano al lavoro. Dopo 72 ore, gli scienziati hanno filtrato i batteri dalla coltura liquida, purificato la proteina di seta e l’hanno liofilizzata. A quel punto, la proteina, che assomigliava a palline di cotone strappate, potenzialmente poteva essere filata in filo o trasformata in altre forme utili.
“Ciò che è davvero eccitante di questo processo è che, a differenza del modo in cui oggi vengono prodotte le plastiche, il nostro processo è a basso consumo energetico e non richiede l’uso di sostanze chimiche tossiche”, ha detto Zha. ”I migliori chimici del mondo non potrebbero convertire il polietilene in seta di ragno, ma questi batteri possono. Stiamo davvero sfruttando ciò che la natura ha sviluppato per fare la manifattura per noi”.
Tuttavia, prima che i prodotti di seta di ragno riciclati diventino una realtà, i ricercatori dovranno prima trovare modi per rendere la produzione della proteina di seta più efficiente.
Prospettive future e impatto ambientale
“Questo studio stabilisce che possiamo usare questi batteri per convertire la plastica in seta di ragno. I nostri futuri lavori indagheranno se modificare i batteri o altri aspetti del processo ci permetterà di aumentare la produzione”, ha detto Koffas.
“I professori Zha e Koffas rappresentano la nuova generazione di ingegneri chimici e biologici che fondono l’ingegneria biologica con la scienza dei materiali per produrre prodotti eco-compatibili. Il loro lavoro è un approccio innovativo per proteggere l’ambiente e ridurre la nostra dipendenza dalle risorse non rinnovabili”, ha detto Shekhar Garde, Ph.D., preside della School of Engineering del RPI.
Lo studio, condotto dall’autore principale Alexander Connor, che ha conseguito il dottorato presso il RPI nel 2023, e dai co-autori Jessica Lamb e Massimiliano Delferro con il Argonne National Laboratory, è pubblicato sulla rivista Microbial Cell Factories.
