O plástico de um caminhão basculante despeja no oceano a cada minuto. No mundo todo, a humanidade produz mais de 300 milhões de toneladas de plástico a cada ano, muito do que está previsto durar séculos a milênios e poluir os ambientes aquáticos e terrestres. Plástico PET, abreviação de tereftalato de polietileno, é o quarto plástico mais produzido e é usado para fazer coisas como garrafas de bebidas e tapetes, o último essencialmente não sendo reciclado. Alguns cientistas esperam mudar isso, usando supercomputadores para desenvolver uma enzima que decompõe o PET. Eles dizem que é um passo em uma longa estrada para reciclar PET e outros plásticos em materiais com valor comercial em escala industrial.

"Idealmente, estamos indo de um lugar onde os plásticos são difíceis de reciclar para um lugar onde usamos a natureza e milhões de anos de evolução para direcionar as coisas de uma forma que torne o plástico fácil de reciclar, "disse Lee Woodcock, Professor Associado de Química da University of South Florida. Woodcock é co-autor de um estudo que estudou a estrutura de uma enzima para degradar PET e foi publicado em março de 2018 no Proceedings of the National Academy of Sciences .

O estudo se baseia em uma descoberta em 2016 por Yoshida et al. de uma bactéria, Ideonella sakaiensis 201-F6, que se alimenta de plástico PET como fonte de carbono e energia. o PNAS autores do estudo focaram na enzima degradadora de plástico da bactéria, chamado PETase. Membros da equipe da Universidade de Portsmouth, liderado pelo professor John McGeehan, usou cristalografia de raios-X na Diamond Light Source no Reino Unido para resolver a estrutura de cristal de alta resolução da PETase.

"Em seguida, usamos simulações de computador para entender como um ligante polimérico como o PET seria capaz de se ligar à enzima, "disse o co-autor do estudo Gregg Beckham, um Pesquisador Sênior e Líder de Grupo no Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA (NREL). "Também realizamos um trabalho experimental para mostrar que, de fato, o PETase pode quebrar garrafas de água ou refrigerante, filmes PET industrialmente relevantes, e outro plástico, furanoato de polietileno. "

Depois de fazer este trabalho sobre a estrutura e função da enzima PETase, os autores a seguir tentaram entender sua evolução e olhar para uma enzima semelhante, uma família de cutinases, que degradam o polímero ceroso cutina encontrado na superfície das plantas.

"Desenvolvemos a hipótese de que, se tornarmos a enzima PETase mais parecida com a cutinase, então devemos piorar a enzima. Quando fizemos este trabalho, na verdade, acabamos tornando a enzima um pouco melhor ao fazer isso, "Woodcock disse.

"Foi incrivelmente surpreendente para nós, Beckham explicou. "Quando o tornamos mais parecido com uma cutinase, a enzima foi modestamente melhorada. Esse é realmente um dos principais aspectos de onde a computação entrou, porque nos permitiu essencialmente prever ou sugerir interações aromático-aromáticas na enzima com o poliéster aromático PET poderiam ser potencialmente responsáveis ​​por sua atividade melhorada. Mas foi uma grande surpresa para nós, "Beckham disse.

Os supercomputadores permitiram que lidassem com questões científicas difíceis no PETase, como os detalhes de como ele interage em escala molecular ligado a um substrato, algo além do escopo do que poderia ser determinado pelo conhecimento de sua estrutura cristalina.

Os pesquisadores aproveitaram para este estudo de recursos computacionais do XSEDE, o Ambiente Extremo de Descoberta de Ciência e Engenharia, financiado pela National Science Foundation.

“Ter acesso aos recursos do XSEDE realmente abre a possibilidade de poder modelar e estudar que tipo de conformacional em grande escala ou mesmo local, pequenas mudanças estruturais ocorrem em função da ligação ao substrato e, Adicionalmente, quais são as mudanças estruturais em grande escala ou locais, mudanças estruturais em pequena escala que ocorrem na enzima depois de fazermos as mutações. Isso foi uma grande parte do que estávamos olhando, "Woodcock disse.

Woodcock explicou que eles simularam as longas escalas de tempo da enzima usando o campo de força da Mecânica Macromolecular de Harvard (CHARMM) e se programam, bem como o software Nanoscale Molecular Dynamics (NAMD).

O XSEDE concedeu a Gregg Beckham alocações nos sistemas Stampede1 e Stampede2 no Texas Advanced Computing Center (TACC) e no sistema Comet no San Diego Supercomputer Center (SDSC).

"Nossa experiência até agora no Stampede2 tem sido absolutamente maravilhosa, "Disse Beckham." Para todos os códigos que usamos lá, tem sido uma máquina fantástica. Superamos as filas rapidamente. Estamos produzindo muita ciência excelente em todo o espectro do que nossos grupos estão fazendo juntos usando Stampede2 agora. Certamente, para a pesquisa sobre a enzima degradadora de plásticos, estamos usando para manuscritos e estudos que estão avançando neste mesmo tópico. "

"Uma coisa boa sobre o Comet, "Woodcock disse, "é que você tem, para trabalhos que você precisa realizar de uma forma de alto rendimento, SDSC tem uma fila compartilhada, o que permite que você envie trabalhos muito menores, mas faça isso de uma maneira de alto rendimento, pois eles podem compartilhar núcleos nos nós da Comet. Isso foi particularmente útil. "

Ambos os pesquisadores concordam que a computação ajuda a fazer descobertas científicas. "Experimentalistas e cientistas computacionais estão trabalhando lado a lado com cada vez mais frequência, "Woodcock disse." E sem acesso a recursos como este, isso realmente nos faria dar um passo atrás, ou várias etapas para trás na produção dos mais altos níveis de ciência e realmente ser capaz de resolver os problemas mais desafiadores do mundo, que é o que fizemos neste estudo específico, feito em parceria com grupos experimentais de nível superior, como nossos colaboradores no Reino Unido e conosco aqui nos Estados Unidos. "

Beckham disse que o trabalho deles apenas começou em enzimas que limpam a poluição do plástico. "Estamos apenas começando a entender como essa enzima evoluiu, Ele quer usar a computação para tirar proveito de grandes bancos de dados de genômica e metagenômica sobre enzimas para encontrar as agulhas no palheiro que podem degradar os plásticos.

"A outra coisa em que também estamos interessados, "Beckham disse, "é se formos capazes de fazer isso em uma temperatura muito mais alta, que seria capaz de acelerar a degradação do PET e nos levar a domínios que poderiam ser industrialmente relevantes em termos de uso de uma enzima para degradar o PET e, em seguida, convertê-lo em materiais de maior valor, o que poderia incentivar taxas mais altas de recuperação, especialmente no mundo em desenvolvimento, onde muitos resíduos de plástico vão para o oceano. "

Lee Woodcock vê as novas técnicas computacionais como um divisor de águas na modelagem de campos de força não semelhantes a drogas que lidam com interações de polímero de forma mais realista do que CHARMM e NAMD podem hoje. "Estou trabalhando com colegas do NREL para garantir que possamos melhorar os campos de força de maneira muito rápida, de modo que se alguém vier e disser que precisamos examinar este polímero a seguir, temos confiança de que podemos montar uma estratégia de modelagem em um período muito curto de tempo para obter um retorno rápido quando tivermos que modelar muitos polímeros diferentes.

Os cientistas estão esperançosos de que seu trabalho um dia tornará o mundo fora do laboratório um lugar melhor. "Entender como podemos projetar melhores processos para reciclar plásticos e recuperá-los é um problema global terrível e é algo para o qual a comunidade científica e de engenharia deve encontrar soluções, "Beckham disse.

O estudo, "Caracterização e engenharia de uma poliesterase aromática degradante de plástico, "foi publicado em março de 2018 no Proceedings of the National Academy of Sciences . Os autores são Harry P. Austin, Mark D. Allen, Alan W. Thorne, John E. McGeehan, da University of Portsmouth; Bryon S. Donohoe, Rodrigo L. Silveira, Michael F. Crowley, Antonella Amore, Nicholas A. Rorrer, Graham Dominic, William E. Michener, Christopher W. Johnson, Gregg T. Beckham do Laboratório Nacional de Energia Renovável; Fiona L. Kearns, Benjamin C. Pollard, H. Lee Woodcock, da University of South Florida; Munir S. Skaf da Universidade Estadual de Campinas; Ramona Duman, Kamel El Omari, Vitaliy Mykhaylyk, Armin Wagner da Fonte de Luz Diamante, Harwell Science and Innovation Campus. O Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido do Laboratório Nacional de Energia Renovável financiou o estudo, com o tempo do computador fornecido pela alocação do Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) MCB-090159.