Moins de 10% des 380 millions de tonnes métriques de plastiques produits annuellement sont actuellement recyclés aux États-Unis, créant une menace environnementale mondiale causée par la production de plastique et l’absorption de millions de tonnes de déchets dans les plans d’eau chaque année. Lorsque vous regardez des plastiques comme le polyester, ce pourcentage diminue.
Au lieu de renouveler un engagement envers des techniques de recyclage qui ne peuvent être utilisées qu’une seule fois sur certains plastiques, les chercheurs se sont tournés vers d’autres solutions pour réduire les déchets plastiques. L’upcycling du plastique, le processus de déconstruction et de reconstruction efficaces des polymères, qui sont les éléments constitutifs essentiels du plastique, est devenu un domaine d’intérêt majeur.
Maintenant, une équipe dirigée par l’Université Northwestern a fourni la base d’une technique pour améliorer les effets d’une enzyme qui décompose le polyester – le plastique utilisé pour fabriquer des bouteilles de soda et des vêtements bon marché (et commercialement appelé PET) – en ses parties fondamentales, un développement qui pourrait aider les ingénieurs à développer des solutions pour éliminer les microplastiques des rivières et des océans.
Leurs conclusions seront publiées lundi 21 mars dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS) et entraînera des percées dans les domaines de la biotechnologie, de la bioremédiation et de la médecine.
Monica Olvera de la Cruz de Northwestern, l’auteur principal de l’article, a expliqué que dans le recyclage, le plastique est chauffé, décomposé puis reconstruit en plastiques plus faibles et de moins bonne qualité. Mais dans le recyclage, décomposer les polymères en leurs composants fondamentaux leur permet parfois de devenir des plastiques encore plus solides qu’ils ne l’étaient auparavant.
L’équipe d’Olvera de la Cruz espérait créer un processus de recyclage aussi vert que possible ; un qui n’a pas créé de polluants mais les a plutôt éliminés. À l’aide d’une enzyme pouvant être synthétisée en laboratoire, les chercheurs ont mis au point un procédé sans utiliser d’autres solvants pouvant être utilisés à plusieurs reprises.
« Les gens ont découvert une enzyme, une bactérie qui mange du polyester pour survivre et le convertit en unités monomères », a déclaré Olvera de la Cruz. « Mais ils n’ont pas pu l’utiliser car il se décompose à une certaine température. Notre idée était de construire des polymères capables d’encapsuler l’enzyme pour protéger sa structure, afin qu’elle puisse continuer à fonctionner en dehors des cellules vivantes et dans le laboratoire à des températures suffisamment élevées pour pouvoir décomposer le PET. »
Dans l’étude, l’équipe a conçu un polymère et les conditions nécessaires pour protéger efficacement l’enzyme (appelée PETase), de sorte que lorsque la structure était chauffée, la PETase ne se désagrège pas et ne devienne pas efficace. Le polymère est constitué d’un squelette hydrophobe (hydrofuge) et de concentrations hautement spécifiques de ses trois composants, calculées par le premier auteur et Ph.D. étudiant Curt Waltmann, pour interagir spécifiquement avec les sites actifs de l’enzyme.
Waltmann a découvert que trop de charge négative dans le polymère signifiait que l’enzyme se dissoudrait dans l’eau et que le polymère ne couvrirait pas suffisamment la surface de l’enzyme pour la protéger. Il devait également faire attention à ne pas mettre trop de composants hydrophobes dans le polymère de sorte que le polymère ne s’enroule pas sur lui-même au lieu de s’enrouler autour de la surface de la PETase.
Une fois le polymère synthétisé à l’aide d’une technique appelée polymérisation radicalaire, qui lie rapidement les monomères entre eux, il a été mélangé avec des enzymes synthétisées chimiquement.
« Nous avons constaté que si vous réunissez le complexe du polymère avec l’enzyme, et à proximité d’un plastique, puis que vous le chauffez légèrement, l’enzyme était capable de le décomposer en petites unités monomères », a déclaré Olvera de la Cruz. mentionné. « En plus de fonctionner dans un environnement comme celui où il pourrait nettoyer les microplastiques, notre méthode a protégé contre la dégradation à haute température, et un étudiant a pu faire les tests. »
En trouvant un moyen de protéger l’enzyme de la chaleur, l’équipe a ouvert de nombreuses portes à la communauté des chercheurs. L’équipe a pour objectif d’encapsuler des microplastiques entiers dans la structure, puis de fabriquer un agrégat de microplastiques avec ces enzymes.
Le département américain de l’Énergie a une initiative pour financer des projets de recyclage de polymères qui réduiraient les déchets plastiques, et Olvera de la Cruz affirme que son projet contribuera à faire avancer l’initiative.
« Vous pouvez créer un nouveau polymère avec les unités monomères », a déclaré Olvera de la Cruz. « Ce sont des choses dangereuses qui sont mauvaises pour notre santé. Nous n’avons pas besoin d’en fabriquer plus. Vous pouvez réutiliser celles qui sont déjà là pour faire un plastique tout aussi bon, voire meilleur. »
Olvera de la Cruz est professeure Lawyer Taylor de science et génie des matériaux, de chimie et de génie chimique et biologique, de physique et d’astronomie, et directrice du Centre de calcul et de théorie des matériaux mous.
Outre Olvera de la Cruz et Waltmann, les chercheurs de Northwestern incluent Carolyn Mills, Jeremy Wang, Baofu Qiao, John Torkelson et Danielle Tullman-Ercek.
L’article s’intitule « Functional Enzyme-Polymer Complexes ».
Complexes fonctionnels enzyme-polymère, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2119509119.