Las enzimas oxidativas estables: herramientas biocatalíticas para la química verde
Normalmente las conversiones químicas industriales se realizan bajo condiciones muy duras (niveles altos de temperatura y presión), suelen precisar de productos químicos tóxicos y generan subproductos peligrosos. A fin de obtener alternativas más respetuosas con el medio ambiente, se ha propuesto el uso de enzimas para sustituir los catalizadores químicos, un proceso conocido como biocatálisis. Las enzimas suelen funcionar bajo condiciones de reacción moderadas, emplean cosustratos de bajo coste (como el oxígeno) y tienen unas características de selectividad y rendimiento excepcionales. Sin embargo, la explotación a nivel industrial de los biocatalizadores está limitada por la inestabilidad de muchas enzimas. El proyecto financiado con fondos europeos ROBOX (Expanding the industrial use of Robust Oxidative Biocatalysts for the conversion and production of alcohols) ha establecido una colección de enzimas estables junto con los protocolos de conversión industrial. El proyecto logró desarrollar una enzima capaz de oxidar el glicerol, aplicar enzimas P450 para producir metabolitos de fármacos a gran escala, y aplicar enzimas ADH y BVMO para la producción de moléculas de nuevos aromas y de precursores de polímeros de rendimiento y especialidades. Demostración de las reacciones objetivo en enzimas oxidativas estables Es posible mejorar considerablemente la sostenibilidad y los aspectos económicos de los procesos industriales empleando rutas de oxidación biocatalíticas con oxígeno molecular (del aire) en condiciones benignas y moderadas (pH), como a temperatura y presión ambientales. Sin embargo, este método tiene un coste muy alto (más de 1 000 euros por kilo) debido a la catalización de las enzimas y se considera demasiado caro. Para solucionar este problema, ROBOX analizó la viabilidad de la biotransformación en cuatro tipos de enzimas oxidativas estables. «Estos tipos de biocatalizadores realizan oxidaciones con un alto nivel de selectividad y especificidad y, normalmente, con un buen rendimiento. Sería difícil obtener estos resultados con oxidaciones químicas tradicionales», explica el profesor Marco Fraaije, coordinador del proyecto. El glicerol es un subproducto importante de la generación de biodiesel y una prometedora sustancia química fundamental, ya que su oxidación genera compuestos valiosos —como los gliceraldehídos— para la producción de productos químicos finos, fármacos o aminoácidos. Las enzimas monooxigenasas (P450) del hígado humano son las que se encargan de desintoxicar casi todos los medicamentos del mercado, así que la producción biocatalítica de metabolitos de fármacos a gran escala es extremadamente importante para validar los resultados del desarrollo de medicamentos y en los ensayos clínicos. ROBOX también desarrolló y aplicó las enzimas estables alcohol deshidrogenasa (ADH), alcohol oxidasa (AOX) y Baeyer-Villiger monooxigenasa (BVMO) en la producción biocatalítica de nuevos compuestos de aromas y precursores de polímeros, mostrando así la superioridad de este grupo de enzimas oxidativas sobre la química tradicional. El proyecto ROBOX validó y optimizó las reacciones objetivo para estas enzimas a escala de laboratorio en aplicaciones de fármacos, nutrición, productos químicos finos y materiales. Donde fue necesario, se mejoraron las enzimas correspondientes mediante ingeniería de proteínas o se identificaron enzimas estables a través de la extracción de genoma. «Este enfoque integrado abarcó toda la cadena, desde el descubrimiento de la enzima hasta la aplicación a gran escala», comenta Fraaije. «Durante el proyecto, rechazamos algunas reacciones objetivo como no viables según una rigurosa evaluación técnica y económica. Pero esa misma estrategia dio un resultado positivo para la mayoría, lo que permitió una explotación aún mayor de la biocatálisis oxidativa». Aumento de los recursos de la química sostenible Los resultados de ROBOX contribuyen a la producción de productos químicos más ecológicos en materiales como el plástico, los medicamentos y las tintas, esenciales para el desarrollo de la bioeconomía. Para empezar a cuantificar las credenciales verdes, el equipo de ROBOX realizó un análisis del ciclo de vida comparativo para una de las reacciones objetivo de la BVMO. «En comparación con sus equivalentes químicos, la oxidación enzimática correspondiente tuvo un impacto medioambiental más bajo si tenemos en cuenta el reciclado de disolventes y enzimas. Además, el impacto en el cambio climático de la reacción biocatalizada se puede reducir un 71 % si se emplea electricidad renovable», observa Fraaije. Hasta la fecha, el proyecto ha generado patentes para socios, así como una empresa emergente de biotecnología a través de la Universidad de Groningen.
Palabras clave
ROBOX, biocatalizador, verde, química, oxidación, enzima, contaminación, conversión industrial, plásticos, fármacos, bioeconomía
