Il poli(etilene tereftalato) (PET) è un materiale abbondante ed estremamente utile, con applicazioni diffuse nella società. Tuttavia, c’è un bisogno urgente di sviluppare tecnologie per valorizzare i rifiuti PET post-consumo per affrontare l’inquinamento da plastica e muoversi verso un’economia circolare. Mentre le tecnologie di degradazione e riciclaggio del PET sono state riportate, gli esempi si concentrano sul reimpiego dei monomeri risultanti per produrre più PET o altri materiali di seconda generazione. Qui, riportiamo un nuovo percorso in Escherichia coli ingegnerizzato per l’upcycling diretto del monomero PET derivato dall’acido tereftalico nella piccola molecola a valore aggiunto vanillina, un composto aromatico onnipresente nelle industrie alimentari e cosmetiche, e un importante prodotto chimico di massa. Dopo l’ottimizzazione del processo, è stata raggiunta una conversione del 79% in vanillina dall’AT, un miglioramento di 157 volte rispetto alle nostre condizioni iniziali.
Parametri come la temperatura, la permeabilità delle cellule e la rimozione del prodotto in situ sono stati fondamentali per massimizzare i titoli di vanillina. Infine, dimostriamo la conversione di PET post-consumo da una bottiglia di plastica in vanillina accoppiando il percorso con l’idrolisi PET catalizzata da enzimi. Questo lavoro dimostra il primo upcycling biologico di rifiuti plastici post-consumo in vanillina utilizzando un microrganismo ingegnerizzato.
Le tecnologie a basso costo e a bassa intensità per valorizzare i rifiuti plastici post-consumo sono urgentemente necessarie per affrontare la crisi dei rifiuti plastici e consentire un’economia circolare. Abbiamo affrontato questo problema ingegnerizzando un nuovo percorso biosintetico nel batterio di laboratorio E. coli per convertire l’acido tereftalico monomero derivato dalla plastica direttamente nella molecola a valore aggiunto vanillina utilizzando un singolo microrganismo ingegnerizzato.
La reazione è delicata, utilizza un catalizzatore integrale prodotto da materie prime rinnovabili e avviene in condizioni ambientali (temperatura ambiente, pH5.5-7), in mezzi acquosi, non richiede cofattori o reagenti aggiuntivi e non genera rifiuti pericolosi. Titoli massimi di vanillina di 785 μM (119 mg L-1, 79% di conversione) sono stati raggiunti dopo ampi studi di ottimizzazione del processo, un miglioramento di 157 volte rispetto ai titoli degli esperimenti di pre-ottimizzazione. La chiave per questa alta conversione è stata la temperatura di biotrasformazione, la permeabilizzazione delle cellule e l’uso di ISPR per aumentare il flusso verso la vanillina. Inoltre, abbiamo dimostrato che questo percorso può utilizzare l’AT derivato direttamente dai rifiuti plastici post-consumo in un bioprocesso one-pot – il primo esempio di upcycling biologico dei rifiuti PET in una singola piccola molecola a valore aggiunto.
Gli studi futuri si concentreranno sull’intensificazione di questo processo attraverso un’ulteriore ingegneria dei ceppi, l’ottimizzazione del processo e l’estensione del percorso ad altri metaboliti. Fondamentalmente, questo lavoro conferma la filosofia che la plastica post-consumo può essere vista non come un prodotto di scarto, ma piuttosto come una risorsa di carbonio e una materia prima per produrre materiali e piccole molecole di alto valore e rilevanza industriale.
