La ingeniería de enzimas para realizar reacciones que no se encuentran en la naturaleza puede abordar desafíos de larga data en el mundo de la química sintética, como la conversión de aceites de origen vegetal en productos bioquímicos útiles.
Un equipo de investigadores ha desarrollado una estrategia simple pero poderosa para crear nuevas enzimas con una reactividad novedosa que puede producir compuestos químicos valiosos, basándose en su trabajo anterior utilizando luz para reutilizar enzimas naturales.
El estudio, publicado en catálisis natural, fue dirigido por Xiaoqiang Huang, ex investigador postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular (ChBE) de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y el Centro de Innovación Avanzada de Bioenergía y Bioproductos (CABBI), un Centro de Investigación de Bioenergía financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. . Huang, actualmente profesor asistente en la Universidad de Nanjing en China, llevó a cabo este trabajo en el laboratorio del profesor de ChBE Huimin Zhao, líder del tema de conversión de CABBI y afiliado al Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica (IGB).
En el estudio, se utilizó luz visible para excitar una enzima cetorreductasa diseñada, lo que permitió una reacción biocatalítica nueva en la naturaleza conocida como adición conjugada de radicales asimétricos, que es extremadamente difícil de lograr mediante catálisis química.
Los catalizadores son sustancias que se utilizan para acelerar las reacciones químicas. En los organismos vivos, las moléculas de proteína llamadas enzimas catalizan reacciones en un proceso llamado biocatálisis. Los científicos han comenzado a utilizar la biocatálisis para sintetizar compuestos valiosos, ya que su alta selectividad les permite implementar enzimas para actuar sobre sustratos específicos y crear productos objetivo. Otra ventaja es que las reacciones enzimáticas son altamente sostenibles. Son relativamente económicos, consumen bajos niveles de energía y causan un daño mínimo al medio ambiente, a diferencia de los catalizadores químicos, que normalmente requieren solventes orgánicos, calor y alta presión para funcionar.
Aún así, las enzimas son complicadas para trabajar. Normalmente se limitan a catalizar reacciones que se encuentran en la naturaleza, lo que significa que los científicos a menudo luchan por encontrar el biocatalizador perfecto para satisfacer sus necesidades. El laboratorio de Zhao se ha centrado en dirigir la biocatálisis con luz visible, un proceso conocido como «fotobiocatálisis», para producir nueva reactividad enzimática. En un estudio anterior, Zhao y Huang desarrollaron una reacción inducida por luz visible usando una enzima llamada ene-reductasa (ER) como biocatalizador para producir altos rendimientos de compuestos de carbonilo quirales valiosos, que tienen aplicaciones potenciales para la producción de productos químicos de alto valor.
El nuevo estudio se basa en ese trabajo, utilizando fotobiocatálisis en una familia de enzimas diferente (cetorreductasas dependientes de nicotamida producidas por bacterias) y un mecanismo químico diferente para producir otro tipo de compuestos de carbonilo quirales conocidos como ésteres quirales α. A través de la iluminación y la evolución de la cetorreductasa, el equipo logró una adición conjugada radical biocatalítica de tipo Giese enantioselectiva para transformar los ácidos grasos en ésteres quirales α, dijo Zhao.
La enantioselectividad es el grado en que un enantiómero, uno de un par de moléculas que son imágenes especulares entre sí, se produce preferentemente en una reacción química. La quiralidad es una característica fundamental de los compuestos orgánicos, que influye en gran medida en las propiedades de las moléculas, y sus implicaciones son enormes en muchas áreas, incluidas la biología, la medicina y la ciencia de los materiales. Por ejemplo, la estereoquímica diversa de las moléculas orgánicas (la disposición espacial de los átomos y su efecto en las reacciones químicas) no solo aumenta significativamente la riqueza del mundo biológico, sino que también juega un papel importante en muchas actividades biológicas, como la comunicación molecular, dijo. .
Los hallazgos ofrecen aplicaciones prácticas para el trabajo de CABBI para desarrollar biocombustibles y productos bioquímicos a partir de cultivos como miscanthus, sorgo y caña energética en lugar de petróleo. La nueva transformación biocatalítica podría usar los ácidos grasos que CABBI está generando a partir de esas plantas como materias primas para sintetizar bioproductos de valor agregado, como ingredientes para jabones o productos para el cuidado de la piel, de una manera respetuosa con el medio ambiente.
«Aunque no apuntamos a un producto específico para una aplicación adicional, este trabajo proporciona un nuevo método práctico que podría aplicarse potencialmente para mejorar los ácidos grasos», dijo Zhao. «Las enzimas son los caballos de batalla para la síntesis biológica de combustibles y productos químicos a partir de biomasa renovable.
«Uno de los principales cambios científicos en la investigación de conversión de CABBI, o la investigación de bioenergía en general, es la falta de enzimas conocidas con la actividad deseada y la especificidad de sustrato para la síntesis de combustibles y productos químicos objetivo. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de desarrollar nuevos estrategias para descubrir o diseñar enzimas con la actividad o reactividad deseada».
Los coautores del estudio incluyeron al becario postdoctoral de CABBI Guangde Jiang de ChBE; Wesley Harrison de CABBI, un Ph.D. candidato en ChBE e IGB; Jianqiang Feng y Binju Wang de la Universidad de Xiamen, China; y Jiawen Cui, Xin Zang y Jiahai Zhou del Instituto de Química Orgánica de Shanghai, China. Zhou también está afiliado a la Academia China de Ciencias Instituto de Tecnología Avanzada de Shenzhen, China.
