Una enzima modificada aporta valor a los monómeros de lignina
Conversión de la lignina en productos químicos valiosos
La industria química se enfrenta al reto de sustituir los bloques de construcción de origen fósil por alternativas ecológicas. La biomasa es una interesante fuente de moléculas basadas en el carbono. Además, está infrautilizada porque alrededor del 25% de toda la biomasa vegetal está en forma de lignina, un biopolímero que, hasta ahora, sólo puede utilizarse como combustible sólido. Un equipo de científicos, entre los que se encuentra el "ingeniero de enzimas" Marco Fraaije, de la Universidad de Groningen, ha desarrollado una enzima que puede utilizar un monómero de lignina en la síntesis química. La enzima se describe en un artículo de Nature Communications publicado el 23 de noviembre.
Imagen simbólica
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La biomasa vegetal es una atractiva fuente de moléculas basadas en el carbono. Sin embargo, alrededor de una cuarta parte de este material es lignina, un biopolímero que es difícil de descomponer en bloques de construcción química útiles. Por ello, la lignina se utiliza sobre todo como combustible verde en la producción de energía. Por ello, los científicos de todo el mundo buscan formas de aprovechar mejor la lignina.
Perfumes
El profesor Marco Fraaije, jefe del grupo de Enzimología Molecular de la Universidad de Groningen, colabora en un proyecto de investigación europeo que trabaja en la valorización de la biomasa y tiene el ojo puesto en la lignina. Sabíamos que un grupo de la Universidad de Lovaina (Bélgica) había desarrollado un proceso químico para descomponer este polímero. Pero, por desgracia, los monómeros resultantes no son muy útiles en la síntesis química". Por ello, Fraaije y sus colegas del proyecto SMARTBOX (Modificaciones selectivas de los aromáticos mediante oxidaciones biocatalíticas) buscaron formas de modificar este monómero.
La despolimerización química de la lignina puede producir varias moléculas diferentes y una de ellas me pareció muy útil", afirma Fraaije. Este monómero aromático se llama propilguayacol y es casi idéntico a un compuesto que se utiliza para producir fragancias. Es una molécula aromática, formada por una estructura de anillo y una cola corta de tres átomos de carbono. Queríamos insertar un doble enlace en la cola, para que fuera más fácil de usar como bloque de construcción. Y yo conocía una enzima que podía servir para ello".
Alcohol
Sin embargo, las pruebas mostraron que esta enzima en particular no funcionaba muy bien y producía el producto equivocado. Pero Fraaije creía que, con algunos retoques, la enzima sería capaz de hacer el trabajo. Junto con un socio de Barcelona, utilizamos herramientas computacionales para predecir qué modificaciones eran necesarias para que la enzima fuera más estable, más selectiva y más rápida a la hora de convertir el monómero en un bloque de construcción útil".
Los dos primeros pasos se llevaron a cabo con relativa rapidez. Tenemos que dar las gracias a los cálculos informáticos, que se han vuelto muy fiables. En el pasado, sólo teníamos que hacer un gran número de mutantes y esperar que uno de ellos mostrara una mejora'. La estabilidad mejoró, de modo que la enzima se mantuvo activa durante un par de días. Esto reduce el coste que supone la sustitución de los lotes de enzimas gastados. Además, la enzima modificaría la cola de carbono en un alqueno o en un alcohol. Este último no es muy útil y, al excluir el agua del sitio activo de la enzima, se podría forzar la reacción hacia la formación de un alqueno.
Aumento de la escala
Hasta aquí todo bien, pero la enzima estable y selectiva resultó funcionar con una lentitud espectacular. A continuación, nuestros colegas de Pavía determinaron la estructura de la enzima", explica Fraaije. Y resultó que el sustrato estaba unido covalentemente al sitio activo". Los enlaces covalentes son enlaces químicos muy fuertes, por lo que la liberación del sustrato tardó bastante tiempo. Un enlace covalente de este tipo entre una enzima y el sustrato es muy raro, pero yo mismo lo encontré durante mi propio trabajo de doctorado".
Cuando este problema se resolvió mediante otra ronda de ingeniería, la enzima funcionó de forma excelente. Fraaije: "Ya hemos realizado experimentos que han producido un gramo de producto final". La molécula puede utilizarse en fragancias, pero también puede servir como compuesto de partida para una serie de otros compuestos, como la vainillina, los polímeros, la química fina o las resinas epoxi. Otro socio del proyecto, la planta piloto de Bio Base Europe en Gante (Bélgica), se encargará de ampliar la producción del propilguayacol modificado. El trabajo de Marco Fraaije en el proyecto SMARTBOX ha llegado a su fin. Pero, sin duda, encontrará otras enzimas que diseñar.
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