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Authors:

Salini, Andrea

Title:

Microbial degradation of polyester plastics: functional and metagenomic-based approaches for enzyme discovery

Year:

2025

Type of item:

Doctoral Thesis

Language:

Inglese

Keyword:

enzyme discovery, plastic-active enzymes, polyesters,

Abstract (italian):

Nella società odierna la plastica rappresenta un materiale essenziale, ampiamente utilizzato per le sue caratteristiche di versatilità, modellabilità, resistenza, leggerezza ed economicità. In meno di un secolo la produzione di plastica è aumentata al punto da diventare il terzo bene di consumo più fabbricato al mondo, con una produzione annua che supera le 400 Mt. La maggior parte della plastica prodotta viene impiegata per la realizzazione di oggetti di breve durata di utilizzo (usa e getta). A causa dell’inadeguata gestione dei rifiuti plastici si è giunti ad un inquinamento diffuso in tutti gli ecosistemi. Nell’ambiente, tali rifiuti si degradano lentamente in microplastiche, che sono in grado di assorbire inquinanti ambientali e che, grazie alla loro capacità di entrare nella catena trofica, rappresentano una grave minaccia per la salute animale e umana. Per affrontare ciò, l'attuale modello lineare di produzione della plastica deve evolversi verso un approccio di circolarità: recentemente, la biocatalisi è emersa come una strategia promettente per il riciclo di materiali plastici, tra cui il polietilene tereftalato (PET), l'acido polilattico (PLA) e il poliidrossibutirrato (PHB). Questo studio si è concentrato sulla caratterizzazione di microrganismi isolati da un impianto di trattamento delle acque reflue, al fine di identificare nuovi enzimi per la degradazione dei poliesteri sopracitati. Inoltre, è stata analizzata l'interazione sinergica tra enzimi commerciali per la depolimerizzazione del PLA. Cinque consorzi microbici sono stati arricchiti in condizioni mesofile e moderatamente termofile in presenza di elevate concentrazioni di poliesteri, tra cui PET post-consumo, PLA post-consumo e PLA vergine. Durante i 100 giorni di arricchimento, il PLA è stato efficacemente depolimerizzato dai consorzi microbici, come confermato dalle analisi di cromatografia ad esclusione molecolare e risonanza magnetica nucleare. Per identificare gli enzimi idrolitici responsabili della degradazione del PLA, è stato utilizzato un approccio duale: in vivo ed in silico. Inizialmente, i consorzi microbici sono stati sottoposti ad uno screening funzionale: 148 isolati hanno mostrato attività esterasica secreta, tre di essi hanno dimostrato la capacità di degradare (in vivo) poliesteri alifatici come il policaprolattone e il PHB. Grazie al sequenziamento dell’rRNA 16S e alla tipizzazione molecolare, i tre isolati sono risultati due ceppi distinti appartenenti al genere Bacillus. Inoltre, l'analisi filogenetica dei metagenomi ha rivelato che la composizione microbica dei consorzi è stata significativamente influenzata dalla temperatura. Infatti, a temperature più elevate sono stati arricchiti microorganismi appartenenti all’ordine dei Bacillales. A 37°C, invece, sono state arricchite comunità microbiche più diversificate, la cui composizione è stata influenzata dal polimero plastico. Tramite ricerca per omologia, sfruttando i modelli Markoviani nascosti, 10 potenziali PLA depolimerasi, appartenenti alle famiglie enzimatiche delle lipasi e delle endopeptidasi, sono state identificate con elevata confidenza statistica. Inoltre, è stata identificata una nuova PHA depolimerasi extracellulare (PhaZCf) che, a seguito dell’espressione eterologa, è stata caratterizzata biochimicamente. PhaZCf ha mostrato attività di depolimerizzazione del PHB in condi-zioni mesofile e a valori di pH debolmente acidi, dimostrando una notevole termostabilità. I parametri cinetici sono stati analizzati utilizzando sia l'approccio convenzionale che l'approccio inverso di Michaelis-Menten (M-M), evidenziando che il modello M-M convenzionale offre una maggiore applicabilità per enzimi appartenenti a questa famiglia proteica. Infine, la degradazione del PLA è stata analizzata mediante l'uso di enzimi commerciali, dimostrando che enzimi idrolitici e redox esercitano un effetto sinergico sulla depolimerizzazione del PLA mediata

Product ID:

146054

Handle IRIS:

11562/1163427

Last Modified:

May 30, 2025

Bibliographic citation:

Salini, Andrea, Microbial degradation of polyester plastics: functional and metagenomic-based approaches for enzyme discovery

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