Los investigadores han identificado ingredientes clave para producir compuestos químicos de alto valor de una manera ecológica: enzimas reutilizadas, curiosidad y un poco de luz.
Un artículo publicado en Naturaleza describe un estudio dirigido por Xiaoqiang Huang en la foto, un investigador postdoctoral en la Universidad de Illinois en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular ChBE de Urbana-Champaign y el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica IGB.en el laboratorio del profesor de ChBE Huimin Zhao, líder del tema de conversión en el Centro de Innovación Avanzada de Bioenergía y Bioproductos CABBI, un Centro de Investigación de Bioenergía BRC financiado por el Departamento de Energía de los EE. UU.
Los catalizadores son sustancias utilizadas para acelerar las reacciones químicas; en los organismos vivos, las moléculas de proteínas llamadas enzimas catalizan las reacciones en un proceso llamado biocatálisis.
La biocatálisis está emergiendo rápidamente como una forma ágil y matizada de sintetizar compuestos valiosos. Los científicos están investigando la capacidad de las enzimas para catalizar diversas reacciones, y por una buena razón: las reacciones biocatalíticas son altamente selectivas, lo que significa que los científicos pueden usar enzimas para actuar sobre sustancias específicassustratos y crear productos de destino.
Las reacciones enzimáticas también son altamente sostenibles, ya que son relativamente económicas, consumen bajos niveles de energía y causan un daño mínimo al medio ambiente: mientras que los catalizadores químicos generalmente requieren solventes orgánicos, calor y alta presión para funcionar, los biocatalizadores funcionan en soluciones acuosas,operando a temperatura ambiente y condiciones de presión normal.
A pesar de su valor para la ciencia y la sostenibilidad, las enzimas pueden ser complicadas para trabajar. Las enzimas de reacción pueden catalizar están limitadas a las que se encuentran en la naturaleza; esto significa que los científicos a menudo luchan por localizar el biocatalizador perfecto para satisfacer sus necesidades.
El proceso es similar a mezclar pintura: ¿cómo puede un artista combinar creativamente los colores que ya están en una paleta para producir el tono correcto? En el lenguaje de una reacción química: ¿Cómo pueden los científicos aprovechar las enzimas que ya existen en la naturaleza para crear los productos que crean?¿necesitar?
El equipo de investigación desarrolló una solución: una reacción inducida por la luz visible que utiliza la familia de enzimas ene-reductasa ER como biocatalizador y puede producir altos rendimientos de valiosos compuestos de carbonilo quirales.
"Nuestra solución podría considerarse 'reutilización'. Tomamos enzimas conocidas que ocurren en la naturaleza y las reutilizamos para una nueva reacción", dijo Zhao.
En otras palabras, los investigadores no necesitaron agregar un nuevo tipo de pintura a la paleta; descubrieron una forma ingeniosa de combinar lo que ya estaba allí.
Estas reacciones enzimáticas "reutilizadas" no solo son económicas y ambientalmente eficientes, sino altamente deseables: los compuestos de carbonilo quirales tienen aplicaciones potenciales en la industria farmacéutica para usarse en la producción de drogas.
La solución del equipo es particularmente única porque fusiona la biocatálisis con la fotocatálisis, en la que la luz se utiliza como fuente renovable de energía de activación, en una nueva reacción fotoenzimática.
En el transcurso del estudio, los investigadores probaron una variedad de sustratos es decir, la sustancia sobre la cual actúa el catalizador, documentando la reactividad de las enzimas ER en respuesta a cada uno. Este proceso es comparable a hornear una galleta química con chispas de chocolate: al mantener constantes los niveles de luz y ajustar los "ingredientes" es decir, los RE y los sustratos, el equipo pudo gradualmente dar la vuelta a la reacción deseada.
El uso del conocimiento químico y el diseño inteligente para sintetizar productos de valor agregado es característico del tema de conversión de CABBI.
"Crear una nueva función enzimática es uno de los principales desafíos científicos de CABBI", dijo Zhao. "Este estudio aborda ese desafío al descubrir nuevos usos para las enzimas y mostrar de lo que son capaces".
Los sustratos utilizados en este estudio compuestos de hidrocarburos conocidos como alquenos también se alinean con la misión de CABBI de investigar las aplicaciones de la biomasa vegetal. En principio, los ácidos grasos de cultivos como el miscanto, el sorgo y la caña de azúcar pueden convertirse en alquenos, que luego puedenser utilizado en lugar de sustratos a base de petróleo para producir compuestos valiosos.
Al combinar biocatálisis y fotocatálisis y experimentar con varios "ingredientes" reaccionarios, este estudio amplió el repertorio de la enzima ER para sintetizar compuestos de gran valor y gran cantidad.
Pero fusionar luz con enzimas es solo el comienzo.
"De ninguna manera estamos limitados a crear compuestos de carbonilo quirales", dijo Huang. "Con suerte, esta investigación inspirará a los científicos a combinar varios tipos de enzimas y explorar nuevas opciones para la reactividad".
En el futuro, los investigadores pueden aprovechar este estudio para crear una cartera de productos aún más diversa, y ampliar aún más los beneficios económicos y ambientales de las enzimas.
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