Investigadores fabrican un plástico que incluye bacterias que pueden digerirlo

*Las esporas bacterianas fortalecen el plástico y luego reviven para digerirlo en los vertederos de basura

| | 01 May 2024

Una de las razones por las que los desechos plásticos persisten en el medio ambiente es porque no hay mucho que pueda comerlos. La estructura química de la mayoría de los polímeros es estable y lo suficientemente diferente de las fuentes alimenticias existentes como para que las bacterias no tuvieran enzimas que pudieran digerirlos. Sin embargo, la evolución ha comenzado a cambiar esa situación y se han identificado varias cepas que pueden digerir algunos plásticos comunes.

Un equipo internacional de investigadores ha decidido aprovechar esas cepas y agrupar bacterias que comen plástico en el plástico. Para evitar que se lo coman mientras está en uso, las bacterias se mezclan como esporas inactivas que (principalmente, más sobre esto a continuación) solo deberían comenzar a digerir el plástico una vez que se libera al medio ambiente. Para que esto funcionara, los investigadores tuvieron que desarrollar una cepa bacteriana que pudiera tolerar el proceso de fabricación. Resulta que las bacterias evolucionadas hicieron que el plástico fuera aún más fuerte.

Los plásticos están formados por polímeros, largas cadenas de moléculas idénticas unidas entre sí mediante enlaces químicos. Si bien se pueden descomponer químicamente, el proceso suele consumir mucha energía y no deja sustancias químicas útiles. Una alternativa es conseguir que las bacterias lo hagan por nosotros. Si tienen una enzima que rompe los enlaces químicos de un polímero, a menudo pueden utilizar las pequeñas moléculas resultantes como fuente de energía.

El problema ha sido que los enlaces químicos en los polímeros a menudo son distintos de los químicos con los que los seres vivos se han topado en el pasado, por lo que las enzimas que descomponen los polímeros han sido raras. Pero, con docenas de años de exposición a los plásticos, eso está empezando a cambiar, y recientemente se han descubierto varias cepas de bacterias que se alimentan de plástico.

Sin embargo, este proceso de degradación aún requiere que las bacterias y los plásticos se encuentren en el medio ambiente. Entonces un equipo de investigadores decidió poner las bacterias en el propio plástico.

El plástico con el que trabajaron se llama poliuretano termoplástico (TPU), algo que se puede encontrar en todas partes, desde las cámaras de aire de las bicicletas hasta el revestimiento de los cables Ethernet. Convenientemente, ya se han identificado bacterias que pueden descomponer el TPU, incluida una especie llamada Bacillus subtilis, una bacteria inofensiva del suelo que también ha colonizado nuestro tracto digestivo. Bacillus subtilis, también tiene una característica que la hace muy útil para este trabajo: forma esporas.

Esta característica soluciona uno de los mayores problemas con la incorporación de bacterias en los materiales: los materiales a menudo no proporcionan un entorno donde los seres vivos puedan prosperar. Las esporas, por otro lado, son utilizadas por las bacterias para esperar a que pasen condiciones que de otro modo serían intolerables y luego volver a crecer normalmente cuando las cosas mejoran. La idea detrás del nuevo trabajo es que las esporas de Bacillus subtilis permanezcan en animación suspendida mientras el TPU está en uso y luego se reactiven y digieran una vez que se eliminen.

En términos prácticos, esto funciona porque las esporas sólo se reactivan una vez que las condiciones nutricionales son suficientemente prometedoras. Es poco probable que un cable Ethernet o el interior de un neumático de bicicleta vean condiciones que despierten a las bacterias. Pero si ese mismo TPU termina en un vertedero o incluso al costado de la carretera, los nutrientes en el suelo podrían hacer que las esporas se pongan a trabajar para digerirlo.

El problema inicial de los investigadores fue que la fabricación de productos de TPU suele implicar la extrusión del plástico a altas temperaturas, que normalmente se utilizan para matar bacterias. En este caso, descubrieron que una temperatura de fabricación típica (130 °C) mataba más del 90 por ciento de las esporas de Bacillus subtilis en sólo un minuto.

Entonces, comenzaron exponiendo las esporas de Bacillus subtilis a temperaturas más bajas y períodos cortos de calor que fueron suficientes para matar la mayoría de las bacterias. Los supervivientes crecieron, se les hizo esporular y luego se los expuso a un período de calor ligeramente más largo o incluso a temperaturas más altas. Con el tiempo, Bacillus subtilis desarrolló la capacidad de tolerar media hora de temperaturas que matarían a la mayor parte de la cepa original. La cepa resultante luego se incorporó al TPU, que luego se transformó en plástico mediante un proceso de extrusión normal.

Se podría esperar que poner una gran cantidad de material biológico en un plástico lo debilitara. Pero resultó ser todo lo contrario: varias mediciones de su resistencia a la tracción mostraron que el plástico que contenía esporas era más resistente que el plástico puro. Resulta que las esporas tienen una superficie repelente al agua que interactúa fuertemente con las hebras de polímero del plástico. La cepa de bacterias resistente al calor repelía el agua aún más fuertemente, y los plásticos fabricados con estas esporas eran aún más resistentes.

Para simular el vertedero o la basura con el plástico, los investigadores los colocaron en abono. Incluso sin bacterias, había organismos presentes que podían degradarlo; Después de cinco meses en la composta, el TPU simple perdió casi la mitad de su masa. Pero con las esporas de Bacillus subtilis incorporadas, el plástico perdió el 93 por ciento de su masa durante el mismo período.

Esto no significa que nuestro problema con los plásticos esté resuelto. Obviamente, el TPU se estropea con relativa facilidad. Hay muchos plásticos que no se descomponen significativamente y pueden no ser compatibles con la incorporación de esporas bacterianas. Además, es posible que algunos usos del TPU expongan el plástico a entornos que activen las esporas, como la manipulación de alimentos o cables enterrados. Aun así, es posible que este nuevo proceso de descomposición pueda proporcionar una solución en algunos casos, por lo que vale la pena explorarlo más a fondo.