Paso a paso hasta el producto final mediante catálisis enzimática
Las enzimas de los microorganismos pueden producir sustancias químicas valiosas. En cascada, pueden hacerlo aunque necesiten diferentes condiciones ambientales
La producción del azúcar trehalosa, que se utiliza como alimento funcional y aditivo en productos farmacéuticos o en cosméticos, es un trabajo en equipo de las enzimas: Una se encarga de la construcción de un producto intermedio rico en energía (UDP-glucosa), a partir del cual la segunda fabrica la trehalosa. La catálisis en flujo hace posible la cooperación, aunque la enzima número uno trabaja a temperatura ambiente, mientras que la número dos prefiere temperaturas superiores a los 50 grados Celsius. Así lo ha demostrado el equipo dirigido por el profesor Dirk Tischler, jefe del grupo de Biotecnología Microbiana de la Ruhr-Universität Bochum (RUB). El equipo publicó su informe en la revista Chemical Engineering Journal del 8 de agosto de 2021. Los investigadores pretenden optimizar el proceso en un proyecto posterior.
Dirk Tischler utiliza enzimas de microorganismos para producir materiales valiosos que ayudan a sustituir el petróleo en los procesos de producción, por ejemplo.
© RUB, Marquard
Reactores secuenciales
Las enzimas, por ejemplo derivadas de bacterias, pueden convertir una gran variedad de materiales de partida en una gran cantidad de productos de destino. La llamada biotecnología blanca pretende aprovechar esta capacidad para producir productos químicos de forma ecológica. Dado que a veces se necesitan varios catalizadores y pasos para obtener el producto deseado, el equipo de Dirk Tischler diseñó una cascada de catálisis de flujo, en colaboración con grupos de la Universidad Tecnológica de Delft, la Universidad Técnica Bergakademie Freiberg y la Universidad Tecnológica de Silesia. Así, los materiales de partida glucosa y glucosa-1-fosfato (forma activada) y UTP (trifosfato de uridina, un portador bioquímico de energía) se convirtieron en trehalosa en dos pasos que tuvieron lugar en enzimas inmovilizadas. La primera enzima se encarga de activar las moléculas de glucosa y la segunda las une. "Como una enzima requiere condiciones de trabajo diferentes a la otra, las inmovilizamos en dos reactores secuenciales", explica Dirk Tischler. Esto permite a los investigadores, por ejemplo, ajustar la temperatura o el tiempo de permanencia de los sustratos en el reactor de forma independiente. "También sería concebible no sólo unir azúcares con este método, sino también, por ejemplo, cultivar agentes medicinales en el azúcar, como antibióticos", dice, lanzando una mirada al futuro.
Impresión de sustratos reutilizables
En un proyecto posterior, que ha financiado junto con la empresa Hirsch Engineering Solutions y que cuenta con el apoyo del Ministerio Federal de Economía y Energía, se centra ahora en optimizar la cascada. El objetivo es, en primer lugar, mejorar los materiales de sustrato para las enzimas. "Los sustratos de silicato que hemos estado utilizando hasta ahora no son igualmente bien tolerados por todas las enzimas", dice Tischler. Además, a menudo no son reutilizables. Los plásticos, incluidos los de origen biológico, podrían ser más adecuados y pueden moldearse mediante impresión 3D. "Ya han demostrado su biocompatibilidad en diversas aplicaciones médicas", señala el científico.
En segundo lugar, los socios del proyecto también quieren hacer que la cascada enzimática sea más rentable añadiendo una quinasa que recicle el UDP separado en UTP al final de la reacción con la ayuda del polifosfato. De este modo, la cascada puede comenzar de nuevo. "Hasta ahora, siempre hemos tenido que añadir nuevo UTP para iniciar la cascada, lo cual es bastante caro", explica Dirk Tischler. "Si pudiéramos reciclarlo mediante el polifosfato, los costes se reducirían considerablemente".
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Publicación original
Daria Kowalczykiewicz, Marta Przypis, Luuk Mestrom, Antje Kumpf, Dirk Tischler, Peter-LeonHagedoorn, Ulf Hanefeld, Andrzej Jarzębski, Katarzyna Szymańska; "Engineering of continuous bienzymatic cascade process using monolithic microreactors – in flow synthesis of trehalose"; Chemical Engineering Journal; 2021
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