Bioplastics. What are they? How many are there? How are they produced?

Article published in August 2020

DOI: htttp://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2020.08.1

Auxiliadora Prieto

Centro de Investigaciones Biológicas-Margarita Salas (CIB-CSIC)

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Biology-based plastics or bioplastics, are becoming an alternative to plastics derived from the petrochemical industry due to their potential biodegradability and their sustainable origin. Nowadays, bioplastics are mostly produced from urban and industrial residues by biotechnological processes, following the principles of circular economy.

La producción masiva de materiales plásticos (360 millones de toneladas en 2019) y la mala gestión de sus residuos hacen que en la actualidad se haya generado un gravísimo problema medioambiental de difícil solución (1). Una de las causas es su durabilidad, lo que provoca que se acumulen en el medioambiente cuando los residuos se liberan de forma accidental por una gestión ineficaz de separación y reciclado. Otro problema es el derivado de su origen no sostenible, contribuyendo notablemente al aumento en las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y por tanto al calentamiento global.

Los plásticos de base biológica (bioplásticos), son una alternativa a los plásticos derivados de la industria petroquímica debido a su potencial biodegradabilidad y su origen a partir de fuentes renovables. En la actualidad se producen mayoritariamente a partir de residuos industriales y urbanos con alta carga de materia orgánica, aunque también pueden producirse a partir de gases como el CO o el CO2 (2).

Existen tres estrategias para generar este tipo de materiales: i) la utilización de polímeros naturales como el almidón y la celulosa, a los que se añaden plastificantes y otros aditivos para conferirles propiedades mecánicas y térmicas similares a las de los plásticos; ii) los derivados de monómeros que se producen mediante estrategias biotecnológicas, como por ejemplo el ácido poliláctico (PLA), que se genera mediante la polimerización química del ácido láctico producido mediante fermentación bacteriana, o el bio-polietileno (Bio-PE) y el bio-polietilentereftalato (Bio-PET), plásticos de base biológica no biodegradables producidos a partir del bioetanol; iii) y los biopoliésteres bacterianos o polihidroxialcanoatos (PHAs), que son los únicos bioplásticos producidos directamente por un organismo vivo.

Algunos bioplásticos son biodegradables como los derivados de celulosa, almidón, el PLA y el PHA, y otros son resistentes a la degradación como el Bio-PE y el Bio-PET, cuyas estructuras químicas son similares a sus equivalentes PE y PET derivados de la industria petroquímica, pero se sintetizan mediante procesos biotecnológicos que implican una reducción en las emisiones de GEI en su ciclo de vida.

Los PHAs son biopoliésteres con propiedades mecánicas similares a plásticos convencionales como el polipropileno (PP) o el PE, pero son de origen renovable, biodegradables y biocompatibles, por lo que tienen aplicaciones como bioplásticos y en el sector biomédico como biomateriales para implantes o sistemas de liberación sostenida (3, 4). Son poliésteres lineales de ácidos (R)-3-hidroxicarboxílicos (monómeros), que son sintetizados por las bacterias en condiciones de desequilibrio nutricional como reserva de carbono y energía que se acumula en su citoplasma en forma de gránulos (FIG). En estas inclusiones el poliéster está rodeado de una capa de proteínas estructurales y reguladoras denominadas fasinas que les confieren estabilidad en el citoplasma celular. Esta capa también contiene las enzimas específicas implicadas en su síntesis y degradación (sintasas y despolimerasas, respectivamente). Las despolimerasas de PHAs también se producen en otras bacterias y hongos no productoras de PHA y son las responsables de su biodegradación en el medioambiente. Los PHAs se producen de forma natural por un amplio rango de microorganismos y la producción puede alcanzar niveles de hasta el 90% de su peso seco (FIG). La variabilidad estructural de estas macromoléculas reside en la naturaleza química de cada monómero. En función del número de carbonos que conformen la cadena lateral de los monómeros, encontramos PHAs de cadena corta (scl-PHA) como el polihidroxibutírico (PHB), producido por bacterias como Rhodospirillum rubrum o Cupriavidus necator, o de cadena media (mcl-PHA) como el producido por Pseudomonas putida (FIG). La composición monomérica es la que determina las propiedades de cada material. Por ejemplo, los scl-PHA son poliésteres rígidos y quebradizos, con un alto grado de cristalinidad. En cambio, los mcl-PHA son mayoritariamente amorfos, presentan temperaturas de fusión y de transición vítrea más bajas y una gran flexibilidad (4). Las bacterias pueden sintetizar más de 150 monómeros diferentes generando una gran diversidad de PHAs. El que una bacteria produzca un PHA u otro no sólo depende del rango de sustrato de su PHA sintasa, sino que además depende de su capacidad metabólica para sintetizar un monómero determinado. Por tanto, la maquinaria metabólica involucrada en la producción del PHA implica una importante conexión de la sintasa y depolimerasa con otras rutas centrales y periféricas del metabolismo del carbono bacteriano, que son las que generan el monómero que va a formar parte del bioplástico. Gracias a la biología de sistemas, en la actualidad se están utilizando estrategias holísticas tanto para abordar su estudio como para desarrollar nuevos materiales con nuevas aplicaciones mediante ingeniería metabólica combinada con la biología sintética (4-6). En este sentido, merece la pena mencionar el bioplástico antibacteriano PHACOS que fue generado mediante ingeniería metabólica en la bacteria P. putida. PHACOS presenta actividad antibacteriana frente a Stahphylococcus aureus (MRSA) por lo que permite ampliar las aplicaciones de estos materiales en el campo biomédico (6).

 

 

 FIG Auxi Prieto

 Figura. Micrografía electrónica de bacterias productoras de PHA.

 

References:

1. Drzyzga O, Prieto MA. 2019. Plastic waste management, a matter for the ‘community’. Microbial biotechnology 12:1-66
2. Revelles O, Beneroso D, Menéndez JA, Arenillas A, García JL, Prieto MA. 2017. Syngas obtained by microwave pyrolysis of household wastes as feedstock for polyhydroxyalkanoate production in Rhodospirillum rubrum. Microbial Biotechnology 10 (6), 1412-1417
3. Dinjaski, N, and MA Prieto. 2015. Smart polyhydroxyalkanoate nanobeads by protein based functionalization. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine 11: 885-889
4. Prieto MA, Escapa IF, Martínez V, Dinjaski N, Herencias C, de la Peña F, Tarazona N and Revelles O. 2016. A holistic view of polyhydroxyalkanoate metabolism in Pseudomonas putida. 2016. Environmental Microbiology 18: 341-357
5. Dinjaski N, Fernández-Gutiérrez M, Selvam S, Parra-Ruiz FJ, Lehman SM, San Román J, García E, García JL, García AJ, Prieto MA. 2014. PHACOS, a functionalized bacterial polyester with bactericidal activity against methicillin-resistant Staphylococcus aureus. Biomaterials 35: 14-24
6. Mato, A., Blanco FG, Maestro B, Sanz JM, Pérez-Gil J,Prieto MA. 2020. Dissecting the polyhydroxyalkanoate-binding domain of the PhaF phasin: rational design of a minimized affinity tag. App Environ Microbiol DOI: 10.1128/AEM.00570-20

 

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Interview

Auxiliadora Prieto

Centro de Investigaciones Biológicas-Margarita Salas (CIB-CSIC)

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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Pensé por primera vez en ser científica cuando era adolescente y empecé a plantearme que quería dedicarme a algo que no fuera rutinario, y que, en lo posible, me ofreciera la oportunidad de encontrarme cada día con algo nuevo. Yo quería estudiar química o biología, que eran las asignaturas que más me gustaban porque me hacían entender cómo funcionaban los seres vivos. Estudié farmacia porque era la carrera que me permitía profundizar en ese área, a la vez que ejercer mi pragmatismo, desarrollando productos que pudieran ser útiles para la sociedad, ya que en esa época no existía todavía la carrera de biotecnología. Luego descubrí la microbiología, y ya lo tuve claro. Me enganché para toda la vida.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- Al margen de la capacidad intelectual, un científico debe ser muy trabajador, con mucha ambición pero a la vez respetuoso con el trabajo de otros, tolerante, pragmático pero tenaz, optimista, intuitivo, creativo, paciente, y con mucha capacidad de relacionarse con los demás para poder colaborar con otros investigadores de forma multidisciplinar y ser capaz de transmitir los resultados de su trabajo. Lo difícil es cumplir todas estas características. Son los que yo llamo "mis héroes y heroínas científic@s".

P.- ¿Qué consejo  daría a los que ahora inician su carrera científica? 

R.- Creo que el mejor consejo que puedo dar es que no pongan límites a su carrera ni a su ambición. Cuando empezamos todo parece dificilísimo y prácticamente imposible de alcanzar. Pero paso a paso, buscando siempre la excelencia en lo que haces, resolviendo los retos que nos van surgiendo día a día y, sobre todo, con tesón e ilusión, se puede llegar a donde uno se proponga mientras se divierte trabajando.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia? 

R.- La producción masiva de plásticos y la mala gestión de sus residuos está generando en nuestros días un grave problema ambiental. Una gran cantidad de residuos resistentes a la degradación se liberan al medio ambiente (suelos y océanos) de forma accidental. Su resistencia a la biodegradación y la contribución del sector al calentamiento global hace que el sistema actual sea insostenible y requiere urgentemente una transformación que permita la implementación de sistemas sostenibles de acuerdo al concepto de economía circular. En nuestro laboratorio estamos interesados en procesos biotecnológicos sostenibles encaminados hacia la síntesis y degradación de materiales plásticos de base biológica. Estudiamos las rutas metabólicas y reguladoras que rigen estos procesos en las bacterias desde el punto de vista de la ciencia fundamental, y nos basamos en este conocimiento para diseñar y optimizar procesos de síntesis y biodegradación de estos materiales. Estamos enfocados principalmente en dos biopolímeros bacterianos, los poli-hidroxialcanoatos o PHAs y la celulosa bacteriana, y para producirlos revalorizamos residuos industriales y urbanos utilizando técnicas de biología sintética y de sistemas.

P.- ¿Cómo ve el futuro de esta área científica? 

R.- Lo que cada vez está más claro para nosotros es que los plásticos son unos materiales excelentes, que han permitido el desarrollo tecnológico e industrial que hemos experimentado durante el siglo pasado y del que disfrutamos actualmente, ya que forman parte de nuestra vida cotidiana, por ejemplo en utensilios de nuestro hogar, en la cocina, ordenadores, móviles, construcción, automoción, material sanitario, etc. El uso de plásticos es vital en muchos sectores, por ejemplo en el sector del envase, donde son cruciales para preservar los alimentos y evitar toxiinfecciones derivadas de la manipulación alimentaria. Actualmente, y para abordar los problemas ambientales que genera su producción masiva y la mala gestión de sus residuos, la Unión Europea se ha planteado varios objetivos mediante agendas estratégicas; por ejemplo, reducir para 2050 los gases de efecto invernadero e implementar un plan de economía circular del plástico evitando los plásticos de un solo uso y garantizando que en 2030 todos los envases de plástico sean reciclables o reutilizables. Además, fomenta el desarrollo y el uso de materiales innovadores y materias primas alternativas, como los plásticos de base biológica para sustituir a los plásticos convencionales en las aplicaciones en las que sea viable (e.g. envases alimentarios).
Probablemente determinado por la obligación del cumplimiento de estas directrices por parte del sector industrial, así como un claro interés y concienciamiento social respecto a este problema medioambiental, la demanda de los plásticos de base biológica está creciendo a nivel mundial de forma muy significativa. En 2019 la producción total de bioplásticos fue aproximadamente de 3 millones de toneladas, mucho menor que la de los plásticos convencionales (360 millones de toneladas al año), por lo que todavía quedan muchos aspectos que descubrir y mucha tecnología que desarrollar para que este sector sea sostenible desde el punto de vista ambiental y económico. Por otra parte, no sólo es importante la producción sino que es necesario desarrollar tecnología eficaz para el reciclado de los plásticos, tanto los biodegradables como los recalcitrantes, que permita desarrollar sistemas sostenibles de acuerdo a la economía circular. Todo este desarrollo presente y futuro requiere no sólo de investigación e innovación en biotecnología, sino que para llegar a nuestro objetivo va a ser vital un esfuerzo sinérgico y multidisciplinar implicando diferentes áreas del conocimiento como la ecología, la ingeniería y la tecnología del medio ambiente, la ingeniería química y de bioprocesos, la química de polímeros y materiales avanzados, etc.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España? 

R.- Estoy de acuerdo con una carrera científica basada en diferentes niveles de formación y desarrollo, desde técnico de laboratorio, estudiante predoctoral y hasta profesor de investigación o catedrático de universidad, donde cada persona pueda elegir cuál es el nivel donde es más eficiente para la sociedad y a la vez se encuentre realizado a nivel personal y profesional. Desde mi punto de vista, en España existe una carencia muy notable de puestos de trabajo y oportunidades para los investigadores postdoctorales más senior; creo que formamos investigadores excelentes, que tras defender su tesis doctoral y realizar estancias postdoctorales en grupos de referencia nacionales e internacionales, tienen muy pocas oportunidades para desarrollar sus líneas propias de investigación y/o incorporarse en grupos españoles para seguir llevando a cabo su trabajo. Muy pocos consiguen progresar debido a la falta de oportunidades, la precariedad de los salarios y la carencia de posibles fuentes de financiación de proyectos propios en esta etapa de la carrera científica. Como líder de grupo es muy frustrante el no poder atraer y apoyar a los jóvenes talentos en ese estado de desarrollo de la carrera, ya que no somos competitivos cuando nos comparamos con las facilidades y los salarios que encuentran en otros centros de investigación y universidades fuera de España. Realmente, este problema podría también extenderse a otros niveles de desarrollo de la carrera científica, y el origen es común, la falta de inversión en investigación que sufrimos en este país. Hace falta un gran esfuerzo en este sentido.

 

Biography

Auxiliadora Prieto

Centro de Investigaciones Biológicas-Margarita Salas (CIB-CSIC)

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Auxiliadora Prieto es doctora en Farmacia (1996) y profesora de investigación del CSIC en el Centro de Investigaciones Biológicas-Margarita Salas (CIB). Becada por EMBO hizo estancias en laboratorios pioneros en Biotecnología como el grupo del Profesor Timmis en Alemania y el del Profesor Witholt del Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH, Zúrich), donde se especializó en el área de bioplásticos y sus aplicaciones industriales. Desde 2005 dirige el grupo de Biotecnología de Polímeros en el CIB centrado en el estudio del metabolismo microbiano y la caracterización molecular de las rutas relacionadas con la biosíntesis y biodegradación de plásticos de base biológica. Ha coordinado y/o participado como investigadora principal en 14 proyectos nacionales y 9 proyectos europeos. Además, es autora de más de 80 publicaciones e inventora de varias patentes relacionadas con la producción de bioplásticos. Actualmente es coordinadora de la Plataforma Interdisciplinar de Plásticos Sostenibles para una Economía Circular del CSIC (SusPlast).

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