Una bionanomáquina para la química verde
Con la ayuda de una enzima, la industria podría producir valiosos productos químicos y precursores de fármacos en condiciones de ahorro energético y respetuosas con el medio ambiente
Investigadores del Instituto Paul Scherrer (ISP) han caracterizado por primera vez con precisión la enzima estireno-óxido isomerasa, que puede utilizarse para producir valiosos precursores químicos y farmacológicos de forma respetuosa con el medio ambiente. El estudio aparece en la revista Nature Chemistry.
Las enzimas son potentes biomoléculas que pueden utilizarse para producir muchas sustancias en condiciones ambientales. Hacen posible la química "verde", que reduce la contaminación ambiental resultante de los procesos utilizados en la química sintética. Los investigadores del PSI han caracterizado en detalle una de estas herramientas de la naturaleza: la enzima estireno-óxido isomerasa. Se trata de la versión biológica de la reacción de Meinwald, una importante reacción química de la química orgánica.
"La enzima, descubierta hace décadas, es producida por bacterias", explica Richard Kammerer, del Laboratorio de Investigación Biomolecular del PSI. Su colega Xiaodan Li añade: "Pero como no se conocía su funcionamiento, su aplicación práctica ha sido limitada hasta ahora". Los dos investigadores y su equipo han dilucidado la estructura de la enzima, así como su funcionamiento.
Mecanismo sencillo para una reacción complicada
Los microorganismos poseen enzimas específicas con las que pueden, por ejemplo, descomponer sustancias nocivas y utilizarlas como nutrientes. La isomerasa de óxido de estireno es una de ellas. Junto con otras dos enzimas, permite a determinadas bacterias medioambientales crecer en el hidrocarburo estireno.
La isomerasa de óxido de estireno cataliza un paso muy específico de la reacción: divide un anillo de tres miembros del óxido de estireno formado por un oxígeno y dos átomos de carbono, el llamado epóxido. De este modo, la enzima es muy específica y crea un solo producto. También es capaz de convertir una serie de sustancias adicionales, produciendo importantes precursores para aplicaciones médicas.
Una ventaja particular tiene que ver con el hecho de que en muchas reacciones químicas se forman tanto una imagen como una imagen especular de un compuesto químico, que pueden tener efectos biológicos completamente diferentes. Pero esta enzima crea específicamente sólo uno de los dos productos. En química, esta propiedad se denomina estereoespecificidad, y es especialmente importante para la generación de moléculas precursoras de fármacos. "La enzima es un ejemplo impresionante de cómo la naturaleza hace posibles las reacciones químicas de forma sencilla e ingeniosa", afirma Xiaodan Li.
Versátil
En el curso de sus investigaciones, que llevaron a cabo en parte en la Swiss Light Source SLS, los investigadores del PSI descubrieron el secreto de la enzima: un grupo que contiene hierro en su interior, similar al pigmento que contiene hierro en nuestros glóbulos rojos. Este grupo hemo se une al anillo de epóxido, y así es como hace que la reacción sea tan sencilla y eficaz. Otras partes de las investigaciones fueron llevadas a cabo por el grupo de Volodymyr Korkhov, también del Laboratorio de Investigación Biomolecular del PSI y Profesor Asociado del Departamento de Biología de la ETH de Zúrich, utilizando criomicroscopía electrónica.
Xiaodan Li y Richard Kammerer están convencidos de que la enzima será de gran utilidad en la industria química y farmacéutica. "Hasta ahora es la única enzima bacteriana conocida que cataliza la reacción de Meinwald", subraya Richard Kammerer. Con la ayuda de la enzima, la industria podría producir precursores de fármacos e importantes sustancias químicas en condiciones de ahorro energético y respetuosas con el medio ambiente".
Xiaodan Li añade: "La enzima podría alterarse potencialmente para que produjera un gran número de sustancias nuevas". Además, la enzima es muy estable, por lo que resulta adecuada para aplicaciones industriales a gran escala. "Sin duda se convertirá en una nueva e importante herramienta para la economía circular y la química verde", están convencidos los investigadores del PSI.
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Publicación original
Basavraj Khanppnavar, Joel P. S. Choo, Peter-Leon Hagedoorn, Grigory Smolentsev, Saša Štefanić, Selvapravin Kumaran, Dirk Tischler, Fritz K. Winkler, Volodymyr M. Korkhov, Zhi Li, Richard A. Kammerer, Xiaodan Li; "Structural basis of the Meinwald rearrangement catalysed by styrene oxide isomerase"; Nature Chemistry, 2024-5-14
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