El incremento en la contaminación generada por materiales plásticos es alarmante. Los basureros cada vez están más llenos y a pesar del desarrollo de alternativas para contrarrestar esta situación como el reciclaje o la producción de plásticos biodegradables, el consumo de plásticos sigue en aumento y al final de su vida útil terminan en un basurero. El poliuretano (PU) fue inventado hace casi 60 años. La presencia en el ambiente de contaminantes generados por el hombre actúa como un mecanismo selectivo para determinar cómo los microorganismos (MO) evolucionan frente a nuevos compuestos que no existían en el planeta, pero que al fin de cuentas pueden servir como fuentes de carbono, nitrógeno y energía. Las bacterias, por su rápida reproducción y transferencia horizontal de genes, modifican su genoma de una manera asombrosa, originando nuevas combinaciones de genes que las dotan de capacidades metabólicas que antes no existían. Por otro lado los hongos, saprófitos por excelencia, son los encargados de destruir polímeros tan complejos y difíciles de degradar como la celulosa y la lignina, por lo que poseen enzimas hidrolíticas muy poderosas y eficientes, que son secretadas para destruir estos complejos polímeros naturales. Es en este escenario en donde nuestra investigación se sitúa. Nosotros estamos dedicados a estudiar MO capaces de degradar PU. Con base en el origen del PU, los mecanismos que actualmente deben estar utilizando los MO para degradarlo deben haberse integrado muy recientemente y las actividades enzimáticas muy probablemente son todavía no muy eficientes. Hemos aislado una bacteria, Alicycliphilus sp BQ1, quien, además de atacar al PU tipo poliéster (PS), también ataca al de tipo poliéter (PE), lo cual es más difícil aún, y es además capaz de consumir N-metil pirrolidona, un solvente frecuentemente presente en los barnices de PU. Estas características hacen de BQ1 un excelente modelo para el estudio de la degradación de estos polímeros, por lo que hemos invertido una gran cantidad de energía, en establecer y desarrollar métodos bioquímicos y genéticos para estudiarla. Así, descubrimos que podemos introducirle DNA exógeno por conjugación con E. coli, que podemos generar mutantes knockout por recombinación y mutantes por transposición empleando el minitransposón Tn5, con lo cual estamos generando un banco de mutantes con el objetivo de aislar clonas incapaces de crecer en compuestos relacionados con el PU, más aún, estamos a punto de terminar de secuenciar el genoma completo de BQ1. Todas estas herramientas las estamos utilizando para develar las vías metabólicas que emplea BQ1 para utilizar el NMP y para atacar al PU. El trabajo propuesto en este proyecto comprende el análisis genómico y de expresión genética de algunas de las mutantes aisladas y sus genes aledaños, lo cual proporcionará información sobre las vías de degradación participantes en el catabolismo de estos compuestos. También estamos estudiando algunas esterasas de BQ1, buscando la que ataca al PU. Por otro lado, hemos aislado del ambiente un grupo de hongos filamentosos capaces de atacar PS-PU y espumas de PE-PU, disminuyendo su peso en más de un 40% en 21 días. Con esta colección de hongos, estudiaremos no sólo las actividades enzimáticas involucradas en esta degradación, sino también pretendemos dar los primeros pasos hacia el desarrollo de un proceso biotecnológico que pueda emplearse para el tratamiento de desechos de espumas de PU. Contamos para ello con colaboradores expertos y con estudiantes entusiastas todos ellos con gran interés en el proyecto

La presencia de contaminantes (xenobióticos) en el ambiente funciona como un mecanismo selectivo-adaptativo sobre MO que habitan los ecosistemas contaminados, seleccionando a los que desarrollen modificaciones en su metabolismo que les permitan utilizar a esos xenobióticos como fuentes de carbono, nitrógeno y energía. El aislamiento, identificación, caracterización y análisis bioquímico y genético de microorganismos capaces de degradar compuestos xenobióticos presentes en el ambiente son aspectos relevantes ya que, el conocimiento de los mecanismos degradativos a nivel molecular, permitirá el desarrollo de procesos biotecnológicos más eficientes y menos contaminantes. El PU tiene 76 años de haberse inventado y casi 60 años de producirse a nivel comercial, este es el tiempo que los MO han tenido para “conocerlo”. En este trabajo estamos interesados en descubrir como los MO que viven en el ambiente se han adaptado y han aprovechado este nuevo compuesto que no existía en el ambiente, y a partir de este conocimiento tomar ventaja para utilizar algunas de las estrategias que los MO han desarrollado, para implementar procesos biotecnológicos que permitan la degradación más eficiente del PU. La implementación de procesos biotecnológicos para la mineralización de polímeros sintéticos conducirá a la disminución de desechos contaminantes y de problemas sanitarios y ecológicos que su acumulación acarrea, permitiendo un mejor manejo de los residuos sólidos generados por poblaciones humanas, a la vez que de gran trascendencia en la disminución de los impactos ecológicos generados por los asentamientos humanos. Hemos ampliado los objetivos inicialmente planteados en este proyecto, con el propósito de aislar e identificar bacterias y hongos con actividades degradativas sobre PU, tanto PS-PU como PE-PU y su solvente NMP, caracterizar las proteínas responsables de estas capacidades y los genes que las codifican, estudiando también su expresión y su regulación. Esta investigación la iniciamos en el año 2002 y hemos logrado algunos avances importantes. Primero, hemos aislado una bacteria, Alicycliphilus sp. BQ1, capaz de atacar PU y de consumir NMP (37). BQ1 pertenece al mismo género que Alicicliphilus denitrificans cepas K601T y BC. Estas cepas son anaerobias facultativas, desnitrificantes y capaces de degradar ciclohexanol y otros xenobióticos (43). Una de las herramientas fundamentales para lograr definir las vías metabólicas que Alicycliphilus sp. BQ1 emplea para degradar NMP y PU es un buen banco de mutantes. En nuestro laboratorio estamos generando un banco de mutantes por transposición, y hemos establecido condiciones efectivas para su escrutinio. Además, desde hace un par de años, iniciamos la secuenciación del genoma completo de BQ1, en colaboración con el Dr. Miguel Ángel Cevallos (CCG-UNAM), lo cual estamos muy cerca de lograr. Sabiendo que el tamaño de los genomas de K601 y BC es alrededor de 4.9 kbp (sus genomas ya están reportados en el GeneBank) y considerando que un gen bacteriano promedio mide 1 kb, entonces el genoma de BQ1 tendrá aproximadamente 5000 genes. Por lo que, para conseguir una mutagénesis a saturación, para identificar las enzimas involucradas en alguna vía catabólica, es necesario analizar un banco de más de 5000 mutantes. Estamos cerca de lograr un banco de 7000 mutantes tamizadas para tres condiciones: para NMP, otro barniz de tipo PE-PU (Polylack), y un poliol poliéster (PP) sintetizado a partir de ácido adípico y dietilenglicol (Rymsapol 200/107, L-38) y que corresponde a un tipo de substrato que se emplea en la síntesis de PS-PU. El empleo de estos materiales y solventes “modelo” para probar las capacidades biodegradativas de BQ1, así como de otros compuestos que iremos definiendo con base en los avances de la investigación, nos permitirá dilucidar las vías metabólicas involucradas en la degradación de PU. Nuestros avances a partir del escrutinio de un primer banco de mutantes nos han permitido identificar que el transposón en la mutante NMP9¯ de BQ1 cayó en un arreglo de cuatro genes (orfABCD), que no está presente en los genomas de BC y K601T. Hemos observado además, que estas dos cepas no son capaces de crecer en NMP ni en Hydroform, por lo que proponemos que el arreglo 9-38 presente en BQ1 pudiera estar relacionado con la capacidad de BQ1 de crecer en NMP. Hasta el momento no se ha determinado cual es la ruta metabólica empleada para degradar la NMP y este trabajo permitirá aportar información en este tema. Asimismo, también abordamos un enfoque bioquímico, al estudiar esterasas involucradas en la degradación de PS-PU y NMP. Este esfuerzo nos ha permitido aislar e identificar a dos esterasas candidatas a esta actividad. Nos encontramos analizando sus características bioquímicas y sus propiedades catalíticas con miras a definir si son las responsables del ataque al PU y al NMP. Recientemente iniciamos el aislamiento y caracterización de consorcios bacterianos que, con base en la interacción bioquímica de sus miembros, puedan atacar más eficientemente al PU. Aislamos, a partir de espuma de PU en descomposición colectada en el Bordo Poniente, varios consorcios capaces de crecer en un PS-PU y en PE-PU. Estamos evaluando sus efectos sobre el PU e identificando los miembros y las actividades enzimáticas. También hemos aislado y estamos caracterizando hongos capaces de crecer en medios con PU, encontrando resultados muy interesantes. A partir de muestras de suelo, aire y espuma de PU en descomposición, seleccionamos 31 cepas de hongos que crecen en Impranil DLN (PS-PU alifático) (PUi) como única fuente de carbono. Se seleccionaron 8 cepas que mostraron degradación de más del 70% de Impranil líquido y se probaron sobre trozos de espumas de PE-PU. Hubo pérdidas de peso de las espumas, en algunos casos mayor al 50%. Estos trabajos abren la posibilidad de investigar la degradación de PU sólido, lo cual brindará importantes avances para el desarrollo un proceso biotecnológico. Con base en esta observación, el Dr. Hermilo Leal Lara, de la FQ-UNAM, experto en hongos comestibles maderables, realizará experimentos para determinar si estos hongos son capaces de degradar PU, algo de lo que se tiene muy poca información. Estamos en una etapa temprana en el logro de nuestros objetivos, pero hemos ido ganando experiencia con mucho esfuerzo y no pocos tropiezos, como es el hecho que retiraron del mercado al Hydroform después de que ya habíamos empezado a caracterizar las esterasas, e incluso ya con un primer escrutinio para el aislamiento de mutantes de BQ1 incapaces de crecer en Hydroform. Esto detuvo los avances por un buen tiempo, hasta que logramos encontrar otros materiales adecuados a nuestros objetivos y pudimos volver a iniciar el trabajo. Los resultados que estamos obteniendo son muy interesantes. Estamos muy entusiasmados pues, con base en nuestros descubrimientos recientes, pensamos que estamos cerca de poder desarrollar un sistema de composteo inoculado con hongos y bacterias capaces de atacar espumas de PE-PU. Este primer paso, nos permitirá en un futuro tratar de extender su aplicación a PU más recalcitrantes como autopartes.