Exploration mondiale des poches de sites de liaison FraC à l’aide de PELE. unProfil énergétique de l’exploration globale avec l’ester ramifié tripropionate de glycéryle et poses mises en évidence avec la couleur de chaque site de liaison (les poses sont mises en évidence uniquement lorsque l’énergie d’interaction est égale ou inférieure à −15 kcal mol−1). bProfil énergétique de l’exploration globale avec l’acétate de phényle aromatique de petite taille et poses mises en évidence avec la couleur de chaque site de liaison (les poses ne sont mises en évidence que lorsque l’énergie d’interaction est égale ou inférieure à −12,5 kcal mol−1). cProfil énergétique de l’exploration globale avec l’acétate de vinyle ester d’alcényle à chaîne courte et poses mises en évidence avec la couleur de chaque site de liaison (les poses sont mises en évidence uniquement lorsque l’énergie d’interaction est égale ou inférieure à −10 kcal mol−1). d, Représentation transversale de FraC avec deux chaînes opposées pour visualiser la localisation des différents sites de liaison indiqués (ID Protein Data Bank (PDB) : 4TSY). Les données informatiques ont été collectées et analysées avec PELE. Les calculs et les données brutes sont présentés dans Données supplémentaires 1. Crédit : Catalyse naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41929-023-01048-6
Chaque année, environ 400 millions de tonnes de plastique sont produites dans le monde, un chiffre qui augmente d’environ 4 % par an. Les émissions résultant de leur fabrication sont l’un des éléments contribuant au changement climatique, et leur présence omniprésente dans les écosystèmes entraîne de graves problèmes écologiques.
L’un des plus utilisés est le PET (polyéthylène téréphtalate), que l’on retrouve dans de nombreux emballages et bouteilles de boissons. Au fil du temps, ce matériau s’use en particules de plus en plus petites, appelées microplastiques, ce qui aggrave les problèmes environnementaux. Le PET représente déjà plus de 10 % de la production mondiale de plastique et le recyclage est rare et inefficace.
Aujourd’hui, des scientifiques du Barcelona Supercomputing Center—Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), ainsi que des groupes de recherche de l’Institut de catalyse et pétrochimie du CSIC (ICP-CSIC) et de l’Université Complutense de Madrid (UCM), ont développé des protéines artificielles capables de dégrader les microplastiques et nanoplastiques PET et de les réduire à leurs composants essentiels, ce qui permettrait de les décomposer ou de les recycler.
Ils ont utilisé une protéine de défense issue de l’anémone du fraisier (Actinia fragacea), à laquelle ils ont ajouté la nouvelle fonction après conception à l’aide de méthodes informatiques. Les résultats sont publiés dans la revue Catalyse naturelle.
Nature en expansion
“Ce que nous faisons, c’est comme ajouter des bras à une personne”, explique Víctor Guallar, professeur ICREA au BSC et l’un des auteurs de l’ouvrage. Ces bras sont constitués de seulement trois acides aminés qui fonctionnent comme des ciseaux capables de couper les petites particules de PET. Dans ce cas, ils ont été ajoutés à une protéine de l’anémone Actinia fragacea, qui est en principe dépourvue de cette fonction et qui dans la nature “fonctionne comme une foreuse cellulaire, ouvrant les pores et agissant comme un mécanisme de défense”, explique le chercheur.
L’apprentissage automatique et les superordinateurs comme le MareNostrum 4 du BSC utilisé dans cette ingénierie protéique permettent de “prédire où les particules vont se joindre et où nous devons placer les nouveaux acides aminés pour qu’ils puissent exercer leur action”, explique Guallar. La géométrie obtenue est assez similaire à celle de l’enzyme PETase de la bactérie Idionella sakaiensis, capable de dégrader ce type de plastique et découverte en 2016 dans une usine de recyclage d’emballages au Japon.
Les résultats indiquent que la nouvelle protéine est capable de dégrader les micro et nanoplastiques PET avec « une efficacité entre 5 et 10 fois supérieure à celle des PETases actuellement sur le marché et à température ambiante », explique Guallar. D’autres approches nécessitent des températures supérieures à 70 °C pour rendre le plastique plus moulable, ce qui entraîne une production élevée de CO.2 émissions et limite son applicabilité.
De plus, la structure poreuse de la protéine a été choisie parce qu’elle laisse passer l’eau et parce qu’elle peut être ancrée à des membranes similaires à celles utilisées dans les usines de dessalement. Cela faciliterait son utilisation sous forme de filtres, qui “pourraient être utilisés dans les stations d’épuration pour dégrader ces particules que nous ne voyons pas, mais qui sont très difficiles à éliminer et que nous ingérons”, explique Manuel Ferrer, professeur-chercheur à l’Institut ICP-CSIC et également responsable de l’étude.
Une conception qui permet l’épuration et/ou le recyclage
Un autre avantage de la nouvelle protéine est que deux variantes ont été conçues, en fonction de l’endroit où sont placés les nouveaux acides aminés. Le résultat est que chacun donne naissance à des produits différents.
“Une variante décompose plus complètement les particules de PET, de sorte qu’elles pourraient être utilisées pour leur dégradation dans les stations d’épuration. L’autre donne naissance aux premiers composants nécessaires au recyclage. De cette manière, nous pouvons purifier ou recycler, selon les besoins.” explique Laura Fernández López, qui travaille sur sa thèse de doctorat à l’Institut de catalyse et pétrochimie (ICP-CSIC) du CSIC.
La conception actuelle pourrait déjà avoir des applications, selon les chercheurs, mais « la flexibilité de la protéine, comme celle d’un outil polyvalent, permettrait d’ajouter et de tester de nouveaux éléments et combinaisons », explique le Dr Sara García Linares, de l’Université Complutense de Madrid, qui a également participé à la recherche.
“Ce que nous recherchons, c’est de combiner le potentiel des protéines fournies par la nature et l’apprentissage automatique avec des superordinateurs pour produire de nouvelles conceptions qui nous permettent d’atteindre un environnement sain sans plastique”, explique Ferrer.
“Les méthodes informatiques et la biotechnologie peuvent nous permettre de trouver des solutions à bon nombre des problèmes écologiques qui nous affectent”, conclut Guallar.
Plus d’information:
Ana Robles-Martín et al, Déconstruction de polyéthylène téréphtalate de taille submicro et nanométrique avec des nanopores de protéines artificielles, Catalyse naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41929-023-01048-6
Fourni par le Centre de Superinformatique de Barcelone
Citation: Des scientifiques créent une protéine artificielle capable de dégrader les microplastiques dans les bouteilles (23 octobre 2023) récupéré le 23 octobre 2023 sur
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