Enzimas en microesferas para una química más sostenible
El KIT solicita una patente para un procedimiento
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Gracias a la biocatalisis con enzimas, hoy en día es posible sintetizar de forma respetuosa con el medio ambiente una enorme variedad de principios activos farmacéuticos y otras moléculas complejas. Investigadores del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT) han desarrollado ahora una tecnología que permite ensamblar enzimas para formar microesferas de un milímetro de tamaño aptas para su almacenamiento. Las enzimas no solo actúan como catalizadores, sino que también constituyen el material de las microesferas. En otra variante, las redes enzimáticas pueden combinarse con células vivas. Se ha solicitado la patente de este procedimiento. Los resultados se han publicado en la revista *Advanced Materials*.
En la biocatalisis, las enzimas aceleran las reacciones y pueden utilizarse en lugar de catalizadores químicos, a menudo tóxicos. De este modo, se ahorran materias primas y energía. Sin embargo, para que esta tecnología encuentre la aplicación más amplia posible en la industria química, es fundamental poder suministrar los biocatalizadores de forma continua y en grandes cantidades. Además, deben ser aptos para el almacenamiento, fáciles de transportar y fáciles de dosificar. Para cumplir todos estos requisitos, un equipo dirigido por el profesor Christof Niemeyer, del Instituto de Interfaces Biológicas 1 del KIT, ha perfeccionado el concepto de los denominados «hidrogeles totalmente enzimáticos» (AEH). Para ello, se dotan a las enzimas de módulos de unión moleculares adecuados. «Cuando los componentes complementarios entran en contacto, se organizan por sí mismos formando redes proteicas tridimensionales», explica Niemeyer. «De este modo, las enzimas actúan al mismo tiempo como catalizador y como material de construcción de las esferas, lo que supone una gran ventaja frente a los métodos convencionales. Evitamos el uso de material de soporte inactivo y aumentamos la eficiencia de la reacción química deseada».
Los investigadores aprovecharon estas propiedades para fabricar, en dos pasos, unas prácticas esferas (en inglés: «beads»). En primer lugar, reunieron componentes enzimáticos complementarios en gotitas de líquido y los fijaron mediante una congelación rápida en nitrógeno líquido. Mediante la liofilización posterior se obtuvieron microesferas proteicas porosas y mecánicamente estables con un tamaño definido. Las partículas secadas pueden volver a introducirse en líquido y utilizarse para reacciones biocatalíticas.
Sistema modular a base de enzimas y células
A partir de enzimas y tipos de reacción muy diversos, el equipo demostró que el procedimiento tiene múltiples aplicaciones. En las esferas se pudieron organizar tanto funciones catalíticas individuales como sistemas formados por varias enzimas, con o sin sustancias auxiliares adicionales. «Dependiendo de la reacción deseada, se puede adaptar la composición del material», explica Niemeyer. «Se trata de una especie de sistema modular: podemos ensamblar diferentes componentes enzimáticos mediante módulos de unión definidos para formar redes catalíticas y, a continuación, transformarlas en una forma de partículas fácil de manipular». Los científicos demostraron además el uso de las AEH-Beads durante muchas horas en reactores de flujo continuo.
En otras pruebas, el equipo combinó los componentes enzimáticos con células de la bacteria Escherichia coli y fabricó a partir de ellas perlas híbridas. A diferencia de las enzimas, las células pueden, por ejemplo, proporcionar energía química o generar productos intermedios. Las microesferas híbridas mantuvieron su actividad catalítica incluso tras más de cuatro semanas de almacenamiento en seco a temperatura ambiente. Incluso tras cinco meses de almacenamiento, aún se pudieron demostrar las funciones del sistema célula-enzima. Además, los investigadores demostraron que es posible recuperar células viables a partir de los materiales, conservando su función genética.
Aplicable a productos químicos de alta pureza o medicamentos
«Con las microesferas híbridas combinamos dos formas de biocatalisis que normalmente se consideran por separado», afirma Niemeyer. «Podemos combinar en ellas enzimas individuales de forma selectiva y, al mismo tiempo, aprovechar las capacidades de las células vivas. De este modo, se crea un material que combina ambos enfoques y es fácil de manejar». Entre los posibles campos de aplicación se encuentran, por ejemplo, la fabricación de productos químicos de alta pureza, aromas, componentes de principios activos farmacéuticos y otros productos químicos de alta calidad.
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Publicación original
Jennifer Kühne, Julian S. Hertel, André Delavault, et al.; "Programmable Carrier‐Free All‐Enzyme Beads for Modular Continuous‐Flow Biocatalysis"; Advanced Materials, 2026-9-24
Marius Stoeckle, Kersten S. Rabe, Christof M. Niemeyer; "Self‐Assembled Hybrid Cell‐Enzyme Materials for Gas‐Powered Biocatalysis"; Advanced Functional Materials, 2026-9-2
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