Con ayuda de IA, científicos diseñan proteína que degrada plástico de manera más eficiente

El tereftalato de polietileno, más conocido como PET, es uno de los plásticos más utilizados en el mundo. En 2024, su producción global alcanzó aproximadamente 26,7 millones de toneladas. Presente en productos cotidianos como botellas, envases alimentarios, textiles y fibras, este material representa una proporción importante de los residuos plásticos que se generan anualmente. Su amplia utilización, especialmente en productos de un solo uso, lo convierte en un desafío relevante para la protección del medioambiente y el desarrollo de sistemas de reciclaje más eficientes.

Se calcula que, desde la producción masiva de plásticos en 1960, solo se ha logrado reciclar el 9% del plástico consumido hasta la fecha. En el caso de Chile, si bien se han implementado leyes para incentivar el reciclaje de plásticos y su sustitución por bioplásticos compostables, la realidad es que el país cuenta con una incipiente industria de reciclaje de botellas que no logra reciclar todo el material colectado, no recicla todos los plásticos y no cuenta con capacidad para realizar compostaje industrial de bioplásticos emergentes.

Frente a este problema, la degradación enzimática del PET ha surgido como una alternativa prometedora y un complemento al reciclaje convencional. Esta tecnología utiliza enzimas —proteínas capaces de acelerar reacciones químicas— para descomponer el plástico en sus componentes químicos, que posteriormente pueden recuperarse y utilizarse para fabricar nuevos materiales, como PET virgen y otros derivados de alto valor comercial. Su potencial es especialmente relevante para tratar residuos que presentan dificultades para el reciclaje mecánico, como textiles, fibras y envases multicapa.

Sin embargo, las enzimas identificadas en la naturaleza no necesariamente cuentan con las propiedades necesarias para funcionar de manera eficiente a escala industrial. Mejorar su actividad, estabilidad y capacidad de producción, así como disminuir sus temperaturas de operación para reducir los costos energéticos de estos procesos biológicos de reciclaje, constituye uno de los principales desafíos científicos y tecnológicos de esta área.

Una reciente investigación liderada por el académico César Ramírez, profesor asociado del Instituto de Ingeniería Biológica y Médica de la Universidad Católica, logró rediseñar mediante inteligencia artificial una enzima natural que degrada PET, obteniendo nuevas variantes que mantienen una eficiencia comparable a la original, pero a una temperatura considerablemente menor: 50 °C en lugar de 70 °C.

El resultado, publicado en la revista ACS Sustainable Chemistry & Engineering, representa un avance para enfrentar una de las principales limitaciones de esta tecnología: conseguir enzimas que no solo degraden plástico, sino que también puedan hacerlo bajo condiciones más favorables para su eventual aplicación industrial. “Por primera vez diseñamos proteínas en el computador que degradan plástico PET de manera más eficiente a temperaturas más bajas”, destaca Ramírez.

Este logro es parte del proyecto Avanza UC, que busca explorar las posibilidades de la inteligencia artificial para diseñar proteínas con funciones específicas. La investigación no se limita a modificar enzimas que ya existen en la naturaleza: también busca crear proteínas completamente nuevas, capaces de realizar funciones determinadas, como degradar materiales plásticos que hasta ahora presentan importantes dificultades para su tratamiento biológico.

IA: de modificar proteínas naturales a crear enzimas desde cero

Uno de los principales avances del equipo UC consiste en utilizar inteligencia artificial para rediseñar la secuencia de aminoácidos de una enzima natural, conservando su estructura tridimensional y, por tanto, su capacidad de realizar una función específica. La estrategia permite explorar modificaciones que podrían mejorar su desempeño y generar proteínas con características más favorables para aplicaciones biotecnológicas.

Este trabajo dio origen al artículo titulado MPNN-Guided Redesign of PET Hydrolases with Enhanced Catalytic Activity below the PET Glass Transition Temperature (2026). El estudio utilizó herramientas de inteligencia artificial para rediseñar una enzima natural llamada PHL7, conocida por su capacidad para degradar PET. A partir de 36 variantes diseñadas computacionalmente y evaluadas experimentalmente, los investigadores identificaron dos variantes, que lograron degradar este plástico a 50 °C con una eficiencia comparable a la enzima original a 70 °C.

El resultado es especialmente relevante porque permite disminuir la temperatura necesaria para el proceso, lo que abre posibilidades para reducir los requerimientos energéticos de la degradación enzimática. Además, las nuevas variantes favorecieron la producción de MHET, un compuesto intermedio que puede utilizarse como materia prima para volver a sintetizar PET virgen.

César Ramírez explica que este resultado representa un avance en una de las áreas más desafiantes del trabajo con proteínas: conseguir que una enzima diseñada computacionalmente no solo mantenga su estructura, sino que además realice de manera efectiva eficiente la función para la cual fue creada.

“La intención es generar una proteína que nunca ha existido en la naturaleza, pero que haga la función que uno propone” – César Ramírez, académico UC.

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Sin embargo, el equipo no se limita a modificar proteínas que ya existen en la naturaleza. Otra de sus líneas de trabajo apunta al diseño de novo, una estrategia que utiliza inteligencia artificial generativa para crear enzimas completamente nuevas, a partir de las características del sitio activo donde ocurre la reacción química. “La intención es generar una proteína que nunca ha existido en la naturaleza, pero que haga la función que uno propone”, señala.

Para avanzar en esta dirección, el laboratorio mantiene una colaboración científica con el equipo de David Baker, investigador de la Universidad de Washington y uno de los ganadores del Premio Nobel de Química 2024, cuyo trabajo fue fundamental para el desarrollo del diseño computacional de proteínas.

La colaboración se fortaleció durante un sabático que Ramírez realizó en Seattle entre 2025 y 2026, período en el que pudo profundizar tanto en las herramientas computacionales como en nuevas metodologías experimentales para evaluar proteínas diseñadas mediante inteligencia artificial.

Del PET al nylon: nuevos desafíos para el reciclaje biológico

El proyecto Avanza UC también busca ampliar el espectro de materiales que pueden ser degradados mediante enzimas. Actualmente, el equipo trabaja con PET y nylon, dos plásticos que presentan desafíos químicos diferentes. Mientras que el PET posee enlaces carbono-oxígeno que pueden ser reconocidos y degradados por enzimas naturales conocidas, el nylon contiene enlaces carbono-nitrógeno, cuya ruptura representa una dificultad considerablemente mayor. “Las enzimas que degradan PET no degradan nylon. Son materiales distintos y, por lo tanto, necesitamos desarrollar enzimas específicas para cada uno”, explica el investigador.

La dificultad se refleja en los tiempos de degradación: mientras algunas enzimas optimizadas pueden degradar completamente PET en condiciones industriales en aproximadamente 16 a 24 horas, las enzimas naturales conocidas para degradar nylon pueden tardar alrededor de diez días en degradar apenas un 1% del material.

Frente a este escenario, el laboratorio está explorando el diseño de nuevas enzimas mediante inteligencia artificial generativa que permitan acelerar este proceso. Durante su estadía en Estados Unidos, el equipo obtuvo resultados preliminares que muestran actividad enzimática sobre derivados del nylon, lo que constituye un primer indicio favorable para continuar investigando.

La elección de este material responde también a su impacto ambiental. Su producción requiere un elevado consumo energético y genera importantes emisiones de gases de efecto invernadero. Además, su utilización en textiles y prendas de uso deportivo hace prever una creciente demanda.

Para Ramírez, abordar estos materiales supone avanzar hacia soluciones que permitan enfrentar distintos tipos de residuos plásticos, considerando que cada uno requiere estrategias específicas de degradación. En el extremo de mayor dificultad se encuentran el polietileno y el polipropileno, cuyos enlaces carbono-carbono presentan una resistencia mucho mayor a la degradación enzimática. Su tratamiento representa, por ahora, un desafío de largo plazo para la investigación científica.

Avanzar hacia una economía circular

Más allá de los resultados de laboratorio, el desarrollo de enzimas que degradan plásticos tiene importantes proyecciones para la industria del reciclaje. A diferencia del reciclaje mecánico tradicional, que consiste en triturar y reprocesar los materiales, el reciclaje enzimático permite descomponer los polímeros en sus componentes químicos originales, que posteriormente pueden utilizarse para fabricar plástico nuevamente.

“La gran apuesta del reciclaje enzimático es que permite transformar biológicamente el plástico en los compuestos necesarios para fabricar plástico completamente nuevo y volver a repetir el proceso”, César Ramírez, académico UC.

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Una de sus principales ventajas es la posibilidad de recuperar materiales con características equivalentes a las del plástico virgen, evitando parte de la pérdida de propiedades que ocurre cuando un material se somete reiteradamente a procesos de reciclaje mecánico. “La gran apuesta del reciclaje enzimático es que permite transformar biológicamente el plástico en los compuestos necesarios para fabricar plástico completamente nuevo y volver a repetir el proceso”, explica Ramírez.

Otra ventaja es la especificidad de las enzimas. Como cada una reconoce determinados materiales, en el futuro podrían desarrollarse combinaciones de enzimas que actúen simultáneamente sobre distintos tipos de plástico presentes en una misma mezcla, reduciendo la necesidad de separar previamente todos los residuos según su composición.

Actualmente, la degradación enzimática de PET ya está avanzando hacia aplicaciones industriales, con iniciativas en países como Australia, China y Francia.

Investigación y colaboración internacional

Uno de los aprendizajes más importantes del sabático de Ramírez en Seattle fue la incorporación de nuevas metodologías experimentales que permitirán aumentar considerablemente la capacidad de evaluación de proteínas del laboratorio.

El objetivo es pasar de analizar entre cinco y diez proteínas por semana a evaluar alrededor de cien en el mismo período. Esta capacidad resulta fundamental para investigar las numerosas variantes que pueden generarse mediante inteligencia artificial y seleccionar aquellas que efectivamente presentan actividad enzimática. “Parte del sabático no fue solamente aprender sobre inteligencia artificial y diseño computacional, sino también incorporar métodos experimentales que nos permitan analizar cientos de proteínas de manera rápida y eficiente”, señala.

Esta línea de investigación se complementa con otros proyectos internacionales, entre ellos una iniciativa del Centro Internacional de Ingeniería Genética y Biotecnología (ICGEB), con sede en Italia, orientada al descubrimiento y caracterización de enzimas que degradan plásticos. También se suma una colaboración anterior con Brasil, a través del programa ANID-FAPESP, que permitió identificar enzimas provenientes de microorganismos de ambientes polares y antárticos.

Estos proyectos concluyeron en una nueva publicación recientemente aceptada en la prestigiosa revista Microbiome respecto a la identificación de enzimas que degradan y metabolizan poliéster como fuente de carbono en ambientes marinos polares, titulada “Polar Marine Microbial Communities as Reservoirs of Polyester Degrading Enzymes”.

Asimismo, el equipo participa en una propuesta de Núcleo Milenio enfocada en la revalorización sustentable de residuos plásticos y también de residuos de biomasa de la Región de Coquimbo. Esta iniciativa busca integrar el desarrollo de enzimas para tratar PET y nylon con soluciones biotecnológicas para aprovechar residuos de la industria pesquera en el norte de Chile. La propuesta apunta a reemplazar algunos tratamientos químicos altamente contaminantes utilizados actualmente para procesar estos desechos, por alternativas basadas en enzimas.