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Tercer Milenio

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Tecnología enzimática: biofactorías para la industria

La transición de una economía fósil hacia otra más sostenible es uno de los grandes retos actuales. El uso de enzimas para catalizar procesos químicos será fundamental. Por esta razón, el desarrollo de nuevos sistemas enzimáticos más eficientes y robustos interesa tanto a la comunidad científica como a la industria. Investigadores de la Universidad de Zaragoza trabajan en el proyecto Metacell para desarrollar una nueva tecnología enzimática que nos impulse hacia una química más limpia y solidaria con el medio ambiente.

Organización espacial de enzimas en células metabólicas artificiales

El proyecto Metacell pretende desarrollar una plataforma biotecnológica que permita la transición hacia la ‘bioeconomía’. Células metabólicas artificiales actuarán como biofactorías microscópicas, capaces de sintetizar moléculas de alto valor añadido (fármacos, cosméticos, aditivos alimentarios y polímeros) a partir de materias primas de origen renovable (aceites vegetales, bioalcoholes, ligninas…). Una aproximación interdisciplinar entre biología, química e ingeniería permitirá integrar enzimas (catalizadores biológicos) aisladas de diferentes microorganismos (por ejemplo Escherichia coli) en materiales sólidos porosos que harán las veces de chasis artificial para adaptar estas maquinarias biológicas a las necesidades industriales.

Investigadores de la Universidad de Zaragoza han diseñado ya un metabolismo artificial que consta de una serie de reacciones enzimáticas capaces de transformar bioalcoholes en aminoácidos quirales, unas moléculas de alto valor añadido para la síntesis de fármacos, polímeros o cosméticos de última generación.

Después de aislar las enzimas de una gran diversidad de microorganismos, se anclan en materiales sólidos, con una disposición que se inspira en cómo la propia naturaleza organiza el metabolismo celular. La interacción del material sólido con las enzimas dota de robustez a estas últimas, permitiéndoles trabajar bajo condiciones industriales, muchas veces alejadas de las habituales en el interior celular, para las cuales han evolucionado a lo largo de miles de millones de años.

Este proyecto trata de poner la biología al servicio de la tecnología química para contribuir a la necesaria transición económica que nos llevará desde un modelo basado en materias primas fósiles como el petróleo a una bioeconomía, capaz de generar desarrollo socioeconómico sin dañar aún más la deteriorada salud medioambiental del planeta.

¿Qué son las enzimas?
Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores biológicos capaces de acelerar las reacciones químicas que tienen lugar dentro de nuestras células. Una enzima es capaz de aumentar la velocidad de una reacción química en más de un millón de veces, haciendo posible que procesos químicos que tardarían días ocurran en segundos.

En cada una de nuestras células ocurren cientos de reacciones químicas de forma simultánea; cada una de ellas es acelerada por una enzima de forma muy específica y selectiva. Llamamos metabolismo al conjunto de reacciones químicas que tiene lugar en el contexto celular; un sistema enormemente complejo formado por diferentes cascadas de reacciones químicas que son capaces de transformar los nutrientes fundamentales (azúcares, grasas y proteínas) en la energía y los elementos funcionales que permiten la supervivencia de nuestras células.

¿Es posible aislar las enzimas de las células?
Las enzimas son piezas fundamentales en la supervivencia celular, ya que en ellas recaen multitud de funciones vitales. De hecho, el mal funcionamiento de algunas enzimas puede dar lugar a patologías muy graves como la fenilcetonuria o la enfermedad de Gaucher, además de estar relacionados con otros trastornos más comunes como la diabetes o la hipertensión. Sin embargo, las enzimas pueden ser aisladas y utilizadas fuera del contexto celular, como herramientas de otras aplicaciones tecnológicas. El aislamiento de las enzimas lleva implícito el problema de la estabilidad, ya que las enzimas aisladas suelen ser demasiado lábiles para usarlas en aplicaciones tecnológicas. Por este motivo son formuladas con agentes estabilizantes o incorporadas a materiales sólidos (nanopartículas, plásticos, minerales…), para aumentar su vida útil fuera de las células y así poder utilizarlas en procesos industriales. Gracias a estas formulaciones, se pueden reconstruir metabolismos artificiales que agrupan un conjunto de enzimas de diferentes organismos. Así, es posible llevar a cabo rutas biosintéticas que no se encuentran en la naturaleza y que dan lugar a productos con un alto interés industrial.

¿Se pueden usar en aplicaciones industriales?
La recuperación de una infección, la satisfacción de nuestra sed al beber un refresco, así como la pulcritud de nuestras prendas se las debemos en gran medida a la tecnología enzimática, que ha puesto las enzimas al servicio de nuestras necesidades.

Las enzimas son los catalizadores más antiguos que se conocen, ya que hace miles de años, mucho antes de su descubrimiento a finales del siglo XIX por el alemán Eduard Buchner, nuestros antepasados ya las usaban, sin saberlo, a la hora de fermentar el vino. Hoy, todos los antibióticos derivados de la penicilina (por ejemplo la amoxicilina) son producidos mediante un proceso enzimático basado en una enzima de origen fúngico inmovilizada en un material sólido poroso. Una tecnología similar, pero con otra enzima: la glucosa isomerasa, se usa para producir la mayoría de los jarabes fructosados que endulzan las bebidas azucaradas. Y seguro que la mayoría de nosotros, al poner la lavadora, usamos el cóctel enzimático en forma de pequeñas partículas presente en casi todos los detergentes.

El proyecto
Objetivos Desarrollo de células metabólicas artificiales para transformar materias primas renovables en productos de alto valor añadidos (fármacos, polímeros, cosméticos, aditivos alimentarios…). Participantes Este proyecto será llevado a cabo por el laboratorio de biocatálisis heterogénea liderado por el investigador Araid Fernando López Gallego, asociado a la Universidad de Zaragoza dentro del Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea. Financiación Dos millones de euros a través del programa ERC-Consolidator. Ejecución Cinco años (2019-2024). Más información @HetBiocat y www.flg802.wixsite.com/flopezgallego .Fernando López Gallego Investigador ARAID en el Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea-Universidad de Zaragoza

Con la colaboración de la Unidad de Cultura Científica de la Universidad de Zaragoza

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