La découverte d'un groupe international de scientifiques, qui comprend deux Brésiliens, peut contribuer à minimiser la pollution causée par le matériau
Un groupe international de scientifiques, auquel participent deux Brésiliens de l'Université de Campinas (Unicamp), a réussi à améliorer les performances de la PETase, une enzyme capable de se nourrir de polyéthylène téréphtalate, plastique PET. Après la découverte de la PETase dans une nouvelle espèce de bactérie en 2016, le groupe de chercheurs a travaillé pour obtenir la structure de l'enzyme et comprendre son fonctionnement. Dans ce processus, par accident, ils ont fini par créer une mutation de l'enzyme qui a une affinité encore plus grande avec le PET - c'est-à-dire un plus grand potentiel de dégradation du plastique.
Les travaux ont un énorme potentiel d'utilisation pratique, car on estime qu'entre 4,8 et 12,7 millions de tonnes de plastique sont lancées chaque année dans les océans - un nombre qui ne fait qu'augmenter. Les plastiques, qui s'accumulent même sur les plages les plus reculées de la planète, sont donc utilisés précisément en raison de leur résistance à la dégradation, qui est ce qui menace le plus l'environnement. Lorsqu'elle est jetée, une bouteille en PET, par exemple, peut rester dans l'environnement pendant 800 ans - en plus du problème croissant et alarmant des microplastiques.
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Avec tout cela, il est facile de comprendre le grand intérêt suscité par la découverte d'une enzyme capable de digérer le polyéthylène téréphtalate. Cette enzyme, appelée PETase, a maintenant augmenté sa capacité à dégrader le plastique. La nouveauté a été décrite dans un article publié dans les Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).
Deux chercheurs de l'Institut de chimie de l'Université d'État de Campinas (IQ-Unicamp) ont participé à la recherche, en collaboration avec des chercheurs du Royaume-Uni (Université de Portsmouth) et des États-Unis (National Renewable Energy Laboratory). Il s'agit du stagiaire postdoctoral Rodrigo Leandro Silveira et de son directeur, professeur titulaire et doyen de la recherche à Unicamp Munir Salomão Skaf.
«Utilisé principalement dans la fabrication de bouteilles de boissons, le polyéthylène téréphtalate est également largement utilisé dans la fabrication de vêtements, tapis et autres objets. Dans nos recherches, nous avons caractérisé la structure tridimensionnelle de l'enzyme capable de digérer ce plastique, l'avons conçue, augmentant son pouvoir de dégradation, et avons démontré qu'elle est également active dans le polyéthylène-2,5-furanedicarboxylate (PEF), un substitut du PET fabriqué à partir de à partir de matières premières renouvelables », a déclaré Silveira à Agência FAPESP.
L'intérêt pour la PETase est né en 2016, lorsqu'un groupe de chercheurs japonais, dirigé par Shosuke Yoshida, a identifié une nouvelle espèce de bactérie, Ideonella sakaiensis , capable d'utiliser le polyéthylène téréphtalate comme source de carbone et d'énergie - en d'autres termes, capable se nourrir de PET. C'est, jusqu'à aujourd'hui, le seul organisme connu ayant cette capacité. Il pousse littéralement sur le PET.
«En plus d'identifier Ideonella sakaiensis , les Japonais ont découvert qu'elle produisait deux enzymes sécrétées dans l'environnement. L'une des enzymes sécrétées était la PETase. En raison de son degré de cristallinité, le PET est un polymère très difficile à dégrader. Nous utilisons techniquement le terme «récalcitrance» pour nommer la propriété que certains polymères fortement conditionnés doivent résister à la dégradation. Le PET en fait partie. Mais la PETase attaque et la décompose en petites unités - acide mono (2-hydroxyéthyl) téréphtalique (MHET). Les unités MHET sont ensuite converties en acide téréphtalique [par une seconde enzyme] et absorbées et métabolisées par les bactéries », a déclaré Silveira.
Tous les êtres vivants connus utilisent des biomolécules pour survivre. Tout sauf Ideonella sakaiensis, qui parvient à utiliser une molécule synthétique, fabriquée par l'homme. Cela signifie que cette bactérie est le résultat d'un processus évolutif très récent, qui s'est produit au cours des dernières décennies. Il a réussi à s'adapter à un polymère qui a été développé au début des années 40 et qui n'a commencé à être utilisé à l'échelle industrielle que dans les années 70. Pour cela, la PETase est l'élément clé.
«La PETase fait la partie la plus difficile, qui est de briser la structure cristalline et de dépolymériser le PET en MHET. Le travail de la deuxième enzyme, qui transforme le MHET en acide téréphtalique, est déjà beaucoup plus simple, puisque son substrat est formé de monomères auxquels l'enzyme a facilement accès car ils sont dispersés dans le milieu réactionnel. Par conséquent, les études se sont concentrées sur la PETase », a expliqué Silveira.
L'étape suivante consistait à étudier la PETase en détail et c'était la contribution de la nouvelle recherche. «Notre objectif était de découvrir ce qui donnait à PETase la capacité de faire quelque chose que d'autres enzymes n'étaient pas capables de faire très efficacement. Pour cela, la première étape a été d'obtenir la structure tridimensionnelle de cette protéine », a-t-il déclaré.
«Obtenir la structure tridimensionnelle signifie découvrir les coordonnées x, y et z de chacun des milliers d'atomes qui composent la macromolécule. Nos collègues britanniques ont fait ce travail en utilisant une technique bien connue et utilisée, appelée diffraction des rayons X », a-t-il expliqué.
L'enzyme modifiée se lie mieux au polymère
Une fois la structure tridimensionnelle obtenue, les chercheurs ont commencé à comparer la PETase avec des protéines apparentées. La plus similaire est une cutinase de la bactérie Thermobifida fusca, qui dégrade la cutine, sorte de vernis naturel qui recouvre les feuilles des plantes. Certains microorganismes pathogènes utilisent des cutinases pour briser la barrière cutine et s'approprier les nutriments présents dans les feuilles.
Image: structure PETase, en bleu, avec une chaîne PET (en jaune) connectée à son site actif, où elle sera dégradée. Communiqué de presse / Rodrigo Leandro Silveira.
«Nous avons constaté que, dans la région de l'enzyme où se déroulent les réactions chimiques, le soi-disant« site actif », la PETase présentait des différences par rapport à la cutinase. Il a un site actif plus ouvert. Grâce à des simulations informatiques - et c'est la partie où j'ai le plus contribué - nous avons pu étudier les mouvements moléculaires de l'enzyme. Alors que la structure cristallographique, obtenue par diffraction des rayons X, fournit des informations statiques, les simulations permettent d'avoir des informations dynamiques, et de découvrir le rôle spécifique de chaque acide aminé dans le processus de dégradation du PET », a expliqué le chercheur d'IQ-Unicamp.
La physique des mouvements de la molécule résulte des attractions électrostatiques et des répulsions de l'énorme ensemble d'atomes et de la température. Les simulations informatiques nous ont permis de mieux comprendre comment la PETase se lie et interagit avec le PET.
«Nous avons constaté que la PETase et la cutinase ont deux acides aminés différents sur le site actif. Grâce à des procédures de biologie moléculaire, nous avons ensuite produit des mutations dans la PETase, dans le but de la transformer en cutinase », a déclaré Silveira.
«Si nous pouvions faire cela, nous montrerions pourquoi la PETase est la PETase, c'est-à-dire que nous saurions quels sont les composants qui lui confèrent la propriété particulière de dégrader le PET. Mais, à notre grande surprise, en essayant de supprimer l'activité particulière de la PETase, c'est-à-dire en essayant de transformer la PETase en cutinase, nous produisons une PETase encore plus active. Nous avons cherché à réduire l'activité et, à la place, nous l'avons augmentée », a-t-il déclaré.
Cela a nécessité des études informatiques supplémentaires pour comprendre pourquoi la PETase mutante était meilleure que la PETase d'origine. Grâce à la modélisation et aux simulations, il a été possible de constater que les changements produits dans la PETase favorisent le couplage de l'enzyme avec le substrat.
L'enzyme modifiée se lie mieux au polymère. Ce couplage dépend de facteurs géométriques, c'est-à-dire de l'ajustement de type «clé et serrure» entre les deux molécules. Mais aussi des facteurs thermodynamiques, c'est-à-dire des interactions entre les différents composants de l'enzyme et du polymère. La manière élégante de décrire cela est de dire que la PETase modifiée a une «plus grande affinité» pour le substrat.
En termes d'application pratique future, d'obtention d'un ingrédient capable de dégrader des tonnes de déchets plastiques, l'étude a été un énorme succès. Mais la question de savoir ce qui fait de la PETase une PETase reste sans réponse.
«La cutinase a les acides aminés a et b. La PETase a les acides aminés x et y. On imagine qu'en échangeant x et y pour a et b, on pourrait transformer la PETase en cutinase. Au lieu de cela, nous produisons une PETase améliorée. En d'autres termes, les deux acides aminés ne sont pas l'explication du comportement différentiel des deux enzymes. C'est autre chose », a déclaré Silveira.
Développements en cours
La cutinase est une enzyme ancienne, tandis que la PETase est une enzyme moderne, résultant de la pression évolutive qui a permis à Ideonella sakaiensis de s'adapter à un milieu contenant uniquement ou principalement du polyéthylène téréphtalate comme source de carbone et d'énergie.
Parmi les nombreuses bactéries incapables d'utiliser ce polymère, une mutation a généré une espèce qui a réussi à le faire. Cette bactérie a commencé à se reproduire et à se développer beaucoup plus que les autres car elle avait suffisamment de nourriture. Avec cela, il s'est développé. C'est du moins l'explication fournie par la théorie évolutionniste standard.
«Le fait que nous ayons obtenu une meilleure enzyme en faisant un petit changement suggère fortement que cette évolution n'est pas encore terminée. Il y a encore de nouvelles possibilités d'évolution à comprendre et à explorer, en vue d'obtenir des enzymes encore plus efficaces. La PETase améliorée n'est pas la fin de la route. Ce n'est que le début », a déclaré Silveira.
Dans une perspective d'application, l'étape suivante consiste à passer de l'échelle laboratoire à l'échelle industrielle. Pour cela, des études complémentaires liées à l'ingénierie des réacteurs, à l'optimisation des procédés et à la réduction des coûts seront nécessaires.
