Supere o Homem-Aranha: Pesquisadores do Rensselaer Polytechnic Institute desenvolveram uma cepa de bactéria que pode transformar resíduos de plástico em uma seda de aranha biodegradável com múltiplos usos.

Seu novo estudo , publicado na Microbial Cell Factories, marca a primeira vez que os cientistas usaram bactérias para transformar o plástico de polietileno – o tipo usado em muitos itens descartáveis – em um produto proteico de alto valor.

Esse produto, que os pesquisadores chamam de “seda de aranha bioinspirada” devido à sua semelhança com a seda que as aranhas usam para tecer suas teias, tem aplicações em têxteis, cosméticos e até na medicina.

“A seda da aranha é o Kevlar da natureza”, disse Helen Zha, Ph.D., professora assistente de engenharia química e biológica e uma das pesquisadoras do RPI que lideram o projeto. "Pode ser quase tão forte quanto o aço sob tensão. No entanto, é seis vezes menos denso que o aço, por isso é muito leve. Como bioplástico, é elástico, resistente, não tóxico e biodegradável."

Todos esses atributos fazem dele um excelente material para um futuro onde os recursos renováveis e a prevenção da poluição persistente por plásticos sejam a norma, disse Zha.

O plástico polietileno, encontrado em produtos como sacolas plásticas, garrafas de água e embalagens de alimentos, é o maior contribuinte para a poluição plástica em todo o mundo e pode levar mais de 1.000 anos para se degradar naturalmente. Apenas uma pequena porção do plástico polietileno é reciclada, portanto as bactérias utilizadas no estudo poderiam ajudar a “reciclar” alguns dos resíduos restantes.

Pseudomonas aeruginosa, bactéria utilizada no estudo, pode consumir naturalmente polietileno como fonte de alimento. A equipe do RPI enfrentou o desafio de projetar essa bactéria para converter os átomos de carbono do polietileno em uma proteína de seda geneticamente codificada. Surpreendentemente, eles descobriram que suas bactérias recém-desenvolvidas poderiam produzir a proteína da seda com um rendimento que rivalizava com algumas cepas de bactérias que são usadas de forma mais convencional na biofabricação.

O processo biológico subjacente a esta inovação é algo que as pessoas utilizam há milénios.

"Essencialmente, as bactérias estão fermentando o plástico. A fermentação é usada para fazer e preservar todos os tipos de alimentos, como queijo, pão e vinho, e nas indústrias bioquímicas é usada para fazer antibióticos, aminoácidos e ácidos orgânicos", disse Mattheos. Koffas, Ph.D., Dorothy e Fred Chau '71 Career Development Constellation Professor em Biocatálise e Engenharia Metabólica, e o outro pesquisador que lidera o projeto, e que - junto com Zha - é membro do Centro de Biotecnologia e Estudos Interdisciplinares em Rensselaer.

Para fazer com que as bactérias fermentem o polietileno, o plástico é primeiro “pré-digerido”, disse Zha. Assim como os humanos precisam cortar e mastigar os alimentos em pedaços menores antes que o corpo possa utilizá-los, as bactérias têm dificuldade em comer as longas cadeias moleculares, ou polímeros, que compõem o polietileno.

No estudo, Zha e Koffas colaboraram com pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne, que despolimerizaram o plástico aquecendo-o sob pressão, produzindo uma substância macia e cerosa. Em seguida, a equipe colocou uma camada de cera derivada de plástico no fundo dos frascos, que serviu como fonte de nutrientes para a cultura de bactérias. Isso contrasta com a fermentação típica, que utiliza açúcares como fonte de nutrientes.

“É como se, em vez de alimentar o bolo de bactérias, estivéssemos alimentando as velas do bolo”, disse Zha.

Então, enquanto uma placa de aquecimento agitava suavemente o conteúdo dos frascos, as bactérias começaram a agir. Após 72 horas, os cientistas retiraram as bactérias da cultura líquida, purificaram a proteína da seda e a liofilizaram. Nessa fase, a proteína, que se assemelhava a bolas de algodão rasgadas, poderia potencialmente ser transformada em fio ou transformada em outras formas úteis.

“O que é realmente interessante neste processo é que, diferentemente da forma como os plásticos são produzidos hoje, nosso processo consome pouca energia e não requer o uso de produtos químicos tóxicos”, disse Zha. "Os melhores químicos do mundo não conseguiram converter polietileno em seda de aranha, mas essas bactérias conseguem. Estamos realmente aproveitando o que a natureza desenvolveu para fabricar para nós."

No entanto, antes que os produtos de seda de aranha reciclada se tornem realidade, os pesquisadores precisarão primeiro encontrar maneiras de produzir a proteína da seda de forma mais eficiente.

“Este estudo estabelece que podemos usar essas bactérias para converter plástico em seda de aranha. Nosso trabalho futuro investigará se o ajuste das bactérias ou outros aspectos do processo nos permitirá aumentar a produção”, disse Koffas.

"Os professores Zha e Koffas representam a nova geração de engenheiros químicos e biológicos que fundem a engenharia biológica com a ciência dos materiais para fabricar produtos ecológicos. O seu trabalho é uma abordagem inovadora para proteger o ambiente e reduzir a nossa dependência de recursos não renováveis", disse Shekhar Garde, Ph. D., reitor da Escola de Engenharia da RPI.

O estudo foi conduzido pelo primeiro autor Alexander Connor, que obteve seu doutorado pela RPI em 2023, e pelos coautores Jessica Lamb e Massimiliano Delferro do Argonne National Laboratory.