26.01.2022 - Tokyo Institute of Technology

Nuevas nanocajas híbridas para una catálisis más rápida

Las bio-nanocajas híbridas podrían catalizar eficazmente las reacciones para obtener productos de importancia industrial

Un nuevo nanocage híbrido de ferritina con residuos de histidina muestra una captación de iones metálicos 1,5 veces mayor y una mayor eficiencia catalítica para la producción de alcohol, según descubren investigadores del Tokyo Tech en un nuevo estudio. Sus resultados sugieren que las bio-nanocápsulas híbridas podrían catalizar eficazmente las reacciones para obtener productos de importancia industrial.

Los polímeros biológicos pueden autoensamblarse espontáneamente en estructuras complejas que se asemejan a vasos o jaulas, pero son mucho más pequeñas, y se denominan "nanojaulas". Estas estructuras pueden albergar en su interior una amplia gama de moléculas que se comportan como "huéspedes". Un ejemplo popular es la "nanoja de ferritina", que se forma por el autoensamblaje de 24 subunidades en la proteína ferritina y puede encerrar iones metálicos que son importantes catalizadores. Con la ayuda de estos iones metálicos, una reacción catalítica convierte cualquier sustrato en un producto. Aunque son ampliamente conocidas, las aplicaciones potenciales de la jaula de ferritina en la industria aún no se han explorado por completo.

Hasta ahora, la mayoría de los esfuerzos por aumentar la captación de iones metálicos en la ferritina han dado como resultado jaulas con poca estabilidad. Para que el "invitado" se adapte bien a la jaula, la clave es un diseño eficaz. Teniendo esto en cuenta, un equipo de científicos dirigido por el profesor Takafumi Ueno, del Instituto Tecnológico de Tokio (Japón), introdujo mutaciones específicas en el núcleo de la nanocaja de ferritina y aumentó su captación del complejo de iridio (IrCp*). Sus resultados se publican en Angewandte Chemie. El iridio es un catalizador vital en la vía de producción de alcohol y se utiliza comercialmente en las industrias farmacéutica, alimentaria y química.

El profesor Ueno explica: "Basándonos en la bibliografía anterior, sabíamos que la presencia de aminoácidos de coordinación en la jaula mejoraba la actividad del iridio, y que la sustitución de estos aminoácidos por residuos adecuados podría aliviar el problema. Dado que el complejo de iridio se comporta como un catalizador, los residuos de coordinación harían el trabajo". Los autores utilizaron el aminoácido histidina para sustituir dos residuos, la arginina y el ácido aspártico, de las jaulas de ferritina normales (tipo salvaje) y crear los mutantes R52H y D38H. Sorprendentemente, la estructura de ensamblaje o el tamaño de la jaula no se vieron afectados por estos cambios.

A continuación, añadieron IrCp* a los mutantes y descubrieron que el R52H era capaz de incorporar 1,5 veces más átomos de iridio que la jaula de tipo salvaje. Pero lo que les llamó la atención fue el mutante D38H, que se comportó exactamente igual que el tipo salvaje. Entonces, ¿por qué ambas mutaciones no tuvieron el mismo efecto? Según el profesor Ueno, "esto implica que no es sólo la presencia del residuo de histidina, sino también su posición, lo que es crucial para determinar la eficacia de la captación en la jaula".

Utilizando las nuevas jaulas catalíticas, los investigadores pudieron lograr tasas de producción de alcohol de hasta el 88%. Evidentemente, las mutaciones favorecieron un reordenamiento estructural de los componentes de la reacción, lo que mejoró la tasa de conversión.

Para entender cómo se comportaba el sustrato dentro de la jaula, los investigadores utilizaron simulaciones en las que las moléculas de sustrato podían moverse libremente dentro de la nanoja. Observaron algunas interacciones entre el sustrato y la histidina en el mutante R52H, que no estaban presentes en la jaula de tipo salvaje, es decir, el sustrato mostraba una unión preferente dentro de la nanocaja.

"Estas bio-nanocajas híbridas también resultaron ser muy estables, lo que sugiere que podrían utilizarse como catalizadores viables en aplicaciones industriales", concluye el profesor Ueno. El actual diseño basado en la estructura de la investigación del sitio de unión de iones metálicos podría avanzar para crear nuevos mutantes de ferritina con captación selectiva de moléculas invitadas específicas, para diversas aplicaciones catalíticas en la industria química y farmacéutica.

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