Un pezzo di schiuma usata nelle scarpe finisce in una soluzione con un enzima. Tre giorni dopo, la sua superficie liscia appare scavata e irregolare e nel liquido sono comparsi alcuni dei “mattoni” chimici che formavano la plastica. Nessun acido per prepararla, nessun trattamento per ammorbidirla prima. L’enzima ha cominciato a lavorare direttamente sul materiale così com’era.
È il risultato ottenuto da un gruppo di ricercatori dell’Università di Aarhus, in Danimarca, e dell’Università di Porto, che ha modificato un enzima prodotto dal batterio Chelatococcus composti per renderlo più bravo ad attaccare il poliuretano delle scarpe. Lo studio, pubblicato su Chem Catalysis, riguarda per ora quantità minuscole e un processo ancora lontano da un impianto di riciclo. Ma mette l’enzima davanti a uno dei clienti peggiori possibili: una schiuma commerciale già pronta e progettata per resistere.
Il problema è che una suola non vuole più tornare indietro
Il poliuretano è il materiale leggero e spugnoso che troviamo nelle suole di molte scarpe, ma anche nei materassi, nelle spugne, negli isolanti e in parecchi altri oggetti. Ogni anno ne vengono prodotte nel mondo circa 22 milioni di tonnellate, oltre il 5% di tutta la plastica immessa sul mercato.
Una parte di questo materiale appartiene ai cosiddetti polimeri termoindurenti. Il nome sembra uscito da un’interrogazione particolarmente ostile, il concetto è più semplice: durante la produzione le catene della plastica vengono legate tra loro fino a formare una rete molto resistente. Una volta costruita, quella rete non può essere semplicemente scaldata, sciolta e modellata di nuovo come accade con altre plastiche.
Per una scarpa è un pregio: la suola deve sopportare pressioni, torsioni e migliaia di passi senza trasformarsi in una frittella. Quando arriva a fine vita, però, la stessa resistenza diventa un problema. Gran parte dei rifiuti in poliuretano viene ancora incenerita o smaltita in discarica.
Da qui l’interesse per gli enzimi. Sono molecole prodotte dagli organismi viventi che accelerano determinate reazioni chimiche. Immaginateli come forbici estremamente selettive: tagliano certi legami e ignorano molti degli altri. Il guaio, con il poliuretano, è riuscire a far entrare quelle forbici in una struttura così compatta.
Il primo enzima funzionava, così gli scienziati gli hanno cambiato qualche “pezzo”
La storia parte da CCPUR1, un enzima individuato studiando batteri capaci di vivere a contatto con materiali plastici. Il suo produttore, Chelatococcus composti, era stato isolato dal compost e aveva già mostrato una certa capacità di rompere legami presenti nel poliuretano. I ricercatori hanno quindi studiato la forma tridimensionale dell’enzima e usato simulazioni al computer per osservare come una molecola simile al poliuretano si sistemasse nella zona in cui avviene la reazione.
Qui la faccenda assomiglia parecchio a cercare di incastrare due pezzi di un puzzle. Se rimane troppo spazio tra l’enzima e il materiale, il contatto funziona male. Pedro Paiva e colleghi hanno quindi individuato alcuni punti da modificare e costruito 29 versioni diverse dell’enzima, cambiando gli amminoacidi che lo compongono.
La combinazione migliore contiene due modifiche, indicate nello studio come N308F e V312F. Su una molecola utilizzata in laboratorio per imitare il poliuretano, questa variante ha mostrato un’efficienza catalitica fino a 20 volte superiore rispetto alla versione originale. Le simulazioni suggeriscono che le modifiche aiutino il materiale a sistemarsi più profondamente e stabilmente nella parte attiva dell’enzima. Detto in maniera meno da laboratorio: gli scienziati gli hanno fatto una presa migliore.
Poi gli hanno dato della vera schiuma da scarpe
Il test più interessante è arrivato quando i composti preparati apposta per gli esperimenti sono stati messi da parte. Il gruppo ha preso una schiuma di poliuretano termoindurente commerciale usata nelle calzature e l’ha esposta direttamente all’enzima modificato.
Dopo 72 ore la variante migliore aveva convertito fino all’1,4% del materiale. Al microscopio la superficie mostrava segni di erosione e nelle analisi comparivano monomeri rilasciati dalla plastica, cioè molecole più piccole che possono rappresentare materie prime da recuperare. La variante ha fatto meglio anche di due altri enzimi usati dai ricercatori come riferimento.
Quel numero, 1,4%, va letto per quello che è. Il 98,6% della schiuma è rimasto lì. Il risultato interessante è che questa volta l’enzima ha attaccato poliuretano commerciale senza che il materiale venisse prima pretrattato. Gli stessi autori descrivono il lavoro come una dimostrazione iniziale, utile per capire fin dove può essere spinto questo tipo di riciclo.
E la differenza conta. Se per permettere a un enzima di lavorare servono prima processi chimici molto aggressivi, temperature elevate e parecchia energia, parte del vantaggio di usare la biologia si perde per strada.
Dalla provetta al mucchio di scarpe usate manca ancora parecchio
Per arrivare a un vero processo industriale bisognerà far lavorare questi enzimi molto più velocemente, mantenerli attivi più a lungo e soprattutto convincerli ad affrontare poliuretani con composizioni diverse. La schiuma di una scarpa, quella di un materasso e quella di un isolante possono avere chimiche abbastanza differenti da mettere in difficoltà lo stesso enzima.
Una strada potrebbe essere usare insieme più processi: un primo trattamento che renda accessibili le plastiche più resistenti e poi gli enzimi, chiamati a separare selettivamente alcuni componenti in condizioni relativamente miti. I ricercatori stanno inoltre verificando se le modifiche individuate in CCPUR1 possano migliorare anche enzimi imparentati con lui.
Per ora nessuno può buttare le vecchie sneakers dentro un bidone pieno di enzimi e aspettare che ne escano materie prime nuove. Ma dentro quella provetta è successo qualcosa che prima era molto più difficile ottenere: una schiuma costruita per durare ha cominciato a disfarsi senza essere preparata prima per farlo. Per una tecnologia ancora agli inizi, il primo passo è stato letteralmente una suola.
Fonte: Chem Catalysis
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