Ideonella Sakaiensis: un batterio plastico

Durante la rivoluzione industriale si verificò un interesse crescente nell’utilizzo della plastica, un materiale che iniziava a stupire per la sua singolare duttilità e la sua capacità di essere modellata a piacimento.  Le prime plastiche utilizzate nell’industria erano di origine naturale, ma non passò molto tempo prima che venissero sintetizzate chimicamente per aumentarne la flessibilità, l’impermeabilità e la resistenza grazie al lavoro del chimico Leo Baekeand. Ad oggi i dati mostrano che il quantitativo di plastica prodotto annualmente nel mondo è di circa trecento milioni di tonnellate e questo ha ovviamente degli effetti drastici sul nostro pianeta. Nel 1997 l’oceanografo Americano Charles Moore fu il primo ad osservare quel cumulo di spazzatura fluttuante che venne poi chiamato con il nome di “Great Pacific garbage patch”, e molti altri cumuli potrebbero espandersi  nell’oceano Indiano e nell’oceano Pacifico. Risulta dunque chiaro che questa problematica debba essere in qualche modo arginata, a partire ovviamente da un minor utilizzo della plastica stessa.

Nel 2016 viene pubblicato un articolo sulla rivista “Science” che testimonia la scoperta di un batterio in grado di vivere letteralmente sulla plastica chiamato Ideonella Sakaiensis. Shosuke Yoshida e collaboratori del Kyoto Institute of Technology insieme ad altri laboratori di ricerca Giapponesi  hanno messo in evidenza la capacità del microrganismo di degradare il polietilene tereftalato (PET) in molecole più piccole, che vengono utilizzate come fonte di carbonio e di energia. Il batterio è stato fatto crescere su di un sottile film di plastica, il quale è stato degradato nelle restanti sei settimane a una temperatura ottimale di 30° C.

Gli enzimi responsabili della degradazione del PET appartengono alla famiglia delle idrolasi e più specificatamente ne sono state identificate due che prendono il nome di PETase (l’enzima che degrada il PET) e MHETase (l’enzima che degrada il MHET). In particolare delle microfotografie hanno messo in evidenza che il batterio presenta delle estroflessioni più lunghe che gli permettono di aderire al PET e alle cellule batteriche nelle vicinanze, mentre le estroflessioni più corte sono responsabili della veicolazione e secrezione sulla plastica dell’enzima degradativo.

Il meccanismo di degradazione prevede che in un primo momento il PET venga convertito dalla PETase in un composto definito MHET, il quale a sua volta viene convertito nelle unità fondamentali del PET, acido tereftalico e glicole etilenico. Il processo è molto lento, ma permette di evidenziare due importanti conseguenze. Come già detto il batterio è in grado di degradare la plastica, dunque potrebbe essere efficacemente utilizzato per combattere l’inquinamento che ha spinto molti scienziati a sentenziare, senza mezzi termini, l’entrata in quella che viene definita “Plasticene Age”. La seconda motivazione per cui l’utilizzo di questo microrganismo costituisce un goal della ricerca scientifica risiede nel fatto che si potrebbe pensare di riciclare le sostanze ricavate dalla degradazione del PET, evitando in questo modo la sintesi di nuova plastica.


Quello che ha lasciato letteralmente a bocca aperta i ricercatori riguardo alla PETase di Ideonella Sakaiensis è la sua spiccata efficienza nel degradare la plastica rispetto ad enzimi di altri organismi coinvolti nello stesso processo. Per investigare riguardo le differenze in termini di efficienza, si possono utilizzare dei programmi bioinformatici che mettano in evidenza le differenze strutturali fra le proteine.

Per confrontare delle proteine è necessario che le loro strutture siano state sperimentalmente risolte ed è inoltre necessario che le strutture stesse siano conservate in quelle che vengono definite banche dati. PDB (Protein Data Bank) è una banca dati strutturale deputata al mantenimento e alla fruizione delle strutture tridimensionali delle proteine. All’interno di questo database strutturale, le varie proteine sono provviste di un codice identificativo a quattro cifre sul quale si deve cliccare per accedere ad una pagina ricca di informazioni riguardo la proteina desiderata. Invito caldamente i lettori a visitare questa meravigliosa banca dati volgendo particolare attenzione alla sezione “Molecule of the Month”, nella quale sono riportate alcune informazioni della macromolecola che ha suscitato particolare interesse per il mese corrente.

Organizzare un esperimento che abbia come obiettivo quello di risolvere la struttura tridimensionale di una proteina è molto complesso. Per queste motivazioni risulta difficile attribuire un struttura a proteine di cui si conosce la sequenza o altre informazioni. Ad esempio non si è ancora a conoscenza della struttura della PETase di Ideonella Sakaiensis.

Come già detto, la PETase di Ideonella Sakaiensis è ad oggi l’enzima che degrada il PET in maniera più efficiente rispetto ad altri enzimi di cui fortunatamente si conosce la struttura. È dunque possibile fare un confronto fra la sequenza della PETase e la struttura di altri enzimi, con il fine di vedere quali siano le differenze strutturali che possano spiegare una modifica dell’efficienza. La problematica di fondo è dunque molto fine: come confrontare la struttura di alcune molecole, se quella che ha mosso il nostro interesse è priva di una struttura?

Semplificando il problema, è come avere da una parte dei bei gomitoli di lana, che rappresentano le strutture tridimensionali in banca dati, e invece dall’altra parte un lungo filo che rappresenta la sequenza aminoacidica della proteina di I.Sakaiensis. Risulta abbastanza evidente che mentre i due gomitoli di lana possono essere paragonati con il fine di evidenziare somiglianze o elementi dissonanti, non si può fare un confronto fra un gomitolo e un filo. Questo perché il filo ha una forma che per sua natura è troppo distante  da quella ben organizzata dei due gomitoli. Ma se il filo si ripiegasse generando una struttura ordinata che possa permettere un confronto con quella dei cugini gomitoli?

Esistono dei programmi che permettono di fare tutto ciò, di costruire quelli che vengono definiti modelli di omologia o dall’inglese Homology modelling. La parola modellizzazione sta ad indicare proprio la capacità di questi programmi di adattare la sequenza di cui non si conosce la struttura (il filo di lana) alle proteine ripiegate e contenute in una banca dati strutturale come PDB (i gomitoli di lana). Il concetto di omologia è un pochino più complesso, ma ci arriviamo.

Delle proteine vengono definite omologhe se queste derivano da un antenato comune. Questo antenato poi inizia a subire delle modifiche, che portano ad alterazioni degli aminoacidi che costituiscono la sequenza. Esisteranno alla fine di questo processo due proteine, quella originale e quella con la mutazione. Ovviamente il processo può avanzare andando a generare non più due sole proteine, ma un pool molto più ampio di sequenze omologhe e cioè correlate evolutivamente.

Ora riflettiamo sull’antenato comune. Questa sequenza si ripiegherà sempre allo stesso modo, dal momento che l’informazione necessaria al suo ripiegamento è scritta negli aminoacidi che la costituiscono (che sono sempre gli stessi), generando una struttura in grado di espletare una certa funzione. Le proteine omologhe, cioè imparentate fra di loro e con l’antenato, si ripiegheranno in maniera simile dal momento che non sono poi così diverse fra di loro. Dunque queste alterazioni non inficiano drasticamente il ripiegamento, ottenendo quindi delle strutture simili fra loro, che sono più o meno in grado di espletare una funzione simile. Il concetto che sto cercando di spiegare è che proteine omologhe sono dunque più facilmente confrontabili fra loro, dal momento che il loro ripiegamento è simile. Ecco perché il programma ha bisogno di proteine imparentate evolutivamente per costruire un modello sulla base dell’omologia. In particolare la PETase del batterio è omologa alle due proteine scelte per la modellizzazione da parte del programma.

Le proteine sulle quali sarà modellizzata la sequenza della PETase di I.Sakaiensis sono identificate rispettivamente dai codici 4EB0 e 4CG1 nella banca dati PDB. Le strutture delle due macromolecole sono presentate grazie ad un programma di grafica e modellistica molecolare open-source chiamato PyMol e sono mostrate nell’immagine qui sotto.

La sequenza  della PETase di Ideonella Sakaiensis è depositata in una banca dati chiamata UniProt, deputata al mantenimento e alla fruizione delle sole sequenze proteiche (i lunghi fili di lana e non quindi i gomitoli). Qualora voleste ricavare delle informazioni su questa sequenza vi invito a cercare nella banca dati UniProt scrivendo in alto a destra “Ideonella Sakaiensis petase”. La pagina che si apre vi mostrerà un codice (A0A0K8P6T7) sul quale dovrete cliccare per conoscere di più riguardo alla sequenza proteica.

Per modellizzare la sequenza della PETase su quelle dei templati (le proteine in rosso e in verde) è necessario che questi siano allineati. A questo proposito ci viene in aiuto un programma chiamato PyMod 2.0 progettato da Janson, G., Zhang, C., Prado, M.G., and Paiardini, A. nel 2017. Questo programma è un plugin di PyMol, prima citato, progettato per funzionare come una semplice interfaccia tramite PyMol ed alcuni altri Tools Bioinformatici come ad esempio  PSI-BLAST, Clustal Omega, MUSCLE, CAMPO, PSIPRED, and MODELLER. L’allineamento delle strutture è mostrato qui sotto.

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In seguito a questo allineamento strutturale è possibile utilizzare le due proteine come base per la modellizzazione della PETase di Ideonella Sakaiensis. PyMod 2.0 utilizza un programma apposito chiamato MODELLER, che come già affermato, è in grado di creare un modello sulla base dell’omologia e quindi della correlazione evolutiva fra le proteine (Homology Modelling).

Il modello nella figura sopra presenta una proteina colorata in bianco che rappresenta la PETase del batterio mangia-plastica modellizzata sulle precedenti, mentre nella seconda figura è mostrata in bianco unicamente la struttura della proteina che si ottiene in seguito alla costruzione del modello.

In seguito alla costruzione di un modello è possibile addirittura avanzare un’ipotesi che tenti di spiegare la variazione dell’efficienza fra gli enzimi, in base all’osservazione dei siti attivi degli stessi e soprattutto delle loro differenze. Il sito attivo di un enzima è la regione responsabile della funzione attribuita all’enzima, nel caso della PETase di degradare il PET.

Nella pagina di UniProt dedicata alla PETase del batterio si possono ricavare anche importanti informazioni sul sito attivo dell’enzima, in particolare le posizioni nella sequenza proteica degli aminoacidi che lo costituiscono. Nella figura riportata sotto si possono apprezzare i siti attivi delle tre proteine allineate. Tutti e tre sono rispettivamente formati da un aminoacido chiamato Serina (Ser), uno chiamato acido aspartico (Asp) e uno chiamato Istidina (His). Nella seconda immagine per semplicità è riportato il sito attivo delle tre proteine senza tutto il resto.

Dall’osservazione delle figure riportate si può notare come gli aminoacidi che costituiscano il sito attivo siano gli stessi in tutte e tre le proteine. Non appena si osservano gli aminoacidi adiacenti a quelli che formano il sito attivo ci sono delle differenze negli aminoacidi, che hanno delle ripercussioni sulla funzionalità e quindi sull’efficienza dei vari enzimi. Nella figura qui sotto sono riportate alcune delle differenze che sono state messe in evidenza utilizzando l’aiuto dei programmi Bioinformatici prima citati.

Il fatto che questo batterio sia in grado di degradare il PET nelle molecole che lo costituiscono suggerisce che non solo possa essere utilizzato per eliminare plastica dal pianeta, ma che si possa operare una vera e propria azione di riciclaggio della stessa evitando di sintetizzarne dell’altra. Passando ad un aspetto forse meno tecnico ma altrettanto stupefacente, si deve tener conto di quanto meraviglioso sia accaduto durante l’evoluzione a questo microrganismo. Ideonella Sakaiensis è stato capace di adattarsi per sua necessità all’inquinamento prodotto dall’uomo, ricavando energia e fonti di carbonio per la costruzione delle molecole necessarie alla vita, come se tramite questo protagonista la natura sia stata in grado di mettere un freno a ciò che ha come obiettivo, quello di sbilanciare degli equilibri collaudati, come se la natura stessa ci stesse dando una seconda possibilità.

Daniele D’Errico


Fonti:

 

 

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