Les données de l’OCDE révèlent que la production annuelle de déchets plastiques dans le monde est passée de 180 millions de tonnes à plus de 350 millions en seulement deux décennies. À ce rythme, les experts estiment qu’à l’horizon 2050, le volume de résidus plastiques dans l’environnement atteindra 12 milliards de tonnes. Pour lutter contre ce fléau, la recherche d’alternatives au plastique est devenue impérative. Dans cette optique, une équipe de chercheurs chinois a proposé une idée innovante : donner vie au plastique. Concrètement, ils ont développé un plastique « vivant » biodégradable, une solution qui pourrait enfin rendre ce type de matériau écologique.
En 2016, des chercheurs de l’Université de Kyoto ont découvert un microbe mangeur de plastique en étudiant des piles de déchets dans une usine de recyclage au Japon. Après avoir analysé 250 échantillons, l’équipe a isolé Ideonella sakaiensis, une bactérie capable de se nourrir d’un type particulier de plastique, le polytéréphtalate d’éthylène (PET). Les chercheurs ont ensuite identifié l’enzyme utilisée par cette bactérie pour décomposer le PET : la PETase. Par la suite, des scientifiques de l’Université de Portsmouth au Royaume-Uni ont découvert un deuxième enzyme, la MHETase, un hybride résultant de la combinaison de ces deux enzymes. Elle s’est révélée jusqu’à six fois plus efficace pour décomposer le PET que la PETase.
En s’inspirant de cette version hybride, des chercheurs de l’Institut des technologies avancées de Shenzhen de l’Académie chinoise des sciences (SIAT) ont produit un plastique « vivant ». La principale différence avec du plastique standard réside dans le fait que la structure du plastique, de type polycaprolactone (PCL), contient des spores bactériennes. Les enzymes cependant, ne s’activent que lorsque le plastique commence à se dégrader. « Les plastiques vivants sont restés stables lorsqu’ils ont été trempés dans du soda (Sprite) pendant 60 jours, ce qui suggère leur utilisation potentielle comme matériaux d’emballage », ont déclaré les chercheurs dans un communiqué.
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La bactérie Bacillus subtilis au cœur de l’avancée
Pour produire le matériau, l’équipe, dirigée par le biologiste synthétique Chenwang Tang, s’est focalisée sur la bactérie Bacillus subtilis. Pourquoi ce choix ? Tout simplement parce que ses enzymes, qui sont de grandes protéines à la structure complexe, sont à la fois instables et fragiles. En revanche, sous forme de spores, la Bacillus subtilis résiste aux températures élevées ainsi qu’à la pression.
Concrètement, l’équipe a intégré dans l’ADN de Bacillus subtilis le gène d’une enzyme lipase de la bactérie Burkholderia cepacia (abrégé BC). Ils ont ensuite exposé les bactéries génétiquement modifiées à des ions de métaux lourds pour les transformer en spores. À l’aide de billes de plastique de polycaprolactone, les chercheurs ont mélangé les deux structures. Après avoir fait fondre le tout, ils ont créé des morceaux de plastique solides et résistants.
Au fur et à mesure que la surface du plastique vivant se dégrade, les spores libérées germent progressivement. B. subtilis, contenant le gène de la lipase BC, détruit ensuite presque intégralement les molécules de PCL. Pour pousser leur analyse plus loin, Tang et ses collègues ont utilisé une deuxième lipase, produite cette fois par la bactérie Candida antartctica. Le but était d’accélérer le processus de dégradation, et cette approche a porté ses fruits. En effet, les scientifiques ont constaté que la bactérie ne mettait qu’entre 6 et 7 jours pour détruire le plastique.
Des spores bactériennes résistantes
Pour s’assurer de la résistance des spores bactériennes au processus de cuisson lors de la production d’autres types de plastique, les chercheurs ont modifié leurs enzymes dégradantes de sorte qu’elles intègrent des marqueurs fluorescents. Par suite, les bactéries ont été incorporées dans divers matériaux plastiques standards, notamment du PLA, du PBS, du PBAT, du PHA et du PET. Ces produits nécessitent des températures allant jusqu’à 300 °C pour leur fabrication.
Lors d’essais, qu’ils se soient dégradés ou qu’ils aient fondu, les plastiques contenant des spores bactériennes dans leur structure ont émis une lueur fluorescente. L’équipe a ainsi conclu que les spores (contenant les enzymes dégradantes) ont été capables de « survivre » au processus de cuisson et ne s’activaient qu’une fois l’érosion enclenchée. D’après l’équipe, « les plastiques ont pu se désintégrer complètement sans ajout d’antibiotiques, soulignant la robustesse du système ». Cette création de Tang et de ses collègues n’est pas une première. En effet, des chercheurs de l’Université de San Diego ont également développé du plastique contenant des spores de bactéries agissant de manière similaire.