El objetivo prioritario del proyecto Revoluzion es la fabricación de plásticos que contengan enzimas específicas para su degradación tras cumplir el ciclo de vida útil del material. Para ello, es necesario incluir enzimas especializadas para tal tarea en su proceso de fabricación, en concreto en la fase de extrusión, en la que se alcanzan temperaturas superiores a los 130°C. Desafortunadamente, no existen en la naturaleza disponibles tales enzimas, por lo que se hace necesario su diseño para que soporten temperaturas extremas, que puedan embeberse en el plástico final en un estado latente, y activarse a posteriori con el fin de promover la degradación del plástico desechado, ya sea en zonas confinadas o en procesos exsitu.
Para ello, el grupo del Prof. Miguel Alcalde del ICP-CSIC está aplicando herramientas de evolución dirigida con el fin de obtener enzimas degradativas de plásticos más activas y estables frente a la temperatura, que puedan soportar los procesos de fabricación del plástico.
La evolución dirigida es una revolucionaria herramienta de biología sintética que permite emular el proceso de evolución natural, pero a escala de laboratorio, con el fin de obtener enzimas más robustas y activas. Mediante ciclos iterativos de mutación aleatoria, recombinación de ADN y selección artificial, se consigue comprimir la escala temporal de la evolución natural desde millones de años a tan solo días de trabajo en el laboratorio. Por evolución dirigida se han diseñado enzimas para producción de biocombustibles, captura de CO2, producción de fármacos o degradación de plásticos. El potencial biotecnológico de esta herramienta es tal, que su pionera, la Prof. Frances H. Arnold de Caltech fue galardonada con el premio Nobel de Química 2018 por dicha invención.
Sin embargo, el reto en el proyecto Revoluzion es mayúsculo dadas las temperaturas extremas a las que se tienen que enfrentar las enzimas, por lo que la novedad en el mismo estriba en que se van a someter a experimentos de evolución dirigida, enzimas tanto modernas como ancestrales. Las últimas, son recreaciones de enzimas que ya no existen en nuestro planeta porque pertenecen a organismos ya extintos, pero cuyas secuencias se han inferido en base a algoritmos de predicción filogenética y producidas en hospedadores modernos; se han “resucitado”. La resurrección enzimática, llevada a cabo por el grupo pionero en dicha temática del Prof. José Manuel Sánchez Ruiz de la Universidad de Granada, va a permitir al Prof. Alcalde disponer de un nuevo punto de partida para la evolución dirigida, dado que las enzimas ancestrales son a priori altamente termoestables al estar acondicionadas a épocas de nuestro planeta (p.ej. enzimas ancestrales de origen Precámbrico) donde las condiciones eran más extremas.
En suma, en Revoluzion se están adoptando estrategias disruptivas de evolución dirigida conjugadas con resurrección ancestral para alcanzar la meta de disponer de plásticos autodegradables con enzimas diseñadas a medida.
Representación esquemática de un proceso de evolución dirigida en Revoluzion:
Los genes que codifican para las enzimas de partida (en el caso del proyecto Revoluzion, enzimas hidrolíticas modernas y/o ancestrales), se someten a técnicas de mutagénesis aleatoria y recombinación de ADN para generar diversidad genética. Las genotecas de mutantes se introducen en microorganismos (levaduras o bacterias), que facilitan la expresión de las enzimas mutantes, y finalmente se lleva a cabo un proceso de selección artificial o cribado a altas temperaturas, en busca de mutantes más termoestables. Las mejores variantes se escogen como parentales para una nueva generación de evolución molecular. Este proceso se repite sucesivos ciclos hasta alcanzar enzimas altamente termoestables que serán empleadas en el proceso de extrusión del plástico.