Los insectos, minifábricas de moléculas, marcan un hito en la ingeniería química
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Investigadores dirigidos por Kenichiro Itami, del Instituto de Investigación Pionera (PRI)/Centro RIKEN para la Ciencia de los Recursos Sostenibles (CSRS), han utilizado con éxito insectos como minifábricas de moléculas, lo que supone un gran avance en ingeniería química. Esta técnica, denominada "síntesis en insectos", ofrece una nueva forma de crear y modificar moléculas complejas, lo que generará nuevas oportunidades para el descubrimiento, desarrollo y aplicación de moléculas no naturales, como los nanocarbonos.
Las orugas del gusano cortador del tabaco pueden convertir [6]MCPP en [6]MCPP-oxileno de forma mucho más eficaz que en el laboratorio.
RIKEN
Los nanocarbonos moleculares son estructuras diminutas formadas íntegramente por átomos de carbono. A pesar de su minúsculo tamaño, pueden ser mecánicamente fuertes, conducir la electricidad e incluso emitir luz fluorescente. Estas propiedades los hacen ideales para aplicaciones como componentes aeroespaciales, baterías ligeras y electrónica avanzada. Sin embargo, la precisión necesaria para fabricar estas diminutas estructuras sigue siendo un obstáculo importante para su uso generalizado. Las técnicas de laboratorio convencionales tienen dificultades para manipular estas complejas moléculas átomo a átomo, y sus formas definidas dificultan especialmente su modificación sin alterar su integridad.
"Nuestro equipo ha estado investigando nanocarbonos moleculares, pero también hemos desarrollado moléculas que actúan sobre mamíferos y plantas", explica Itami. "Gracias a esas experiencias, de repente nos preguntamos: ¿qué pasaría si alimentáramos a los insectos con nanocarbonos?".
Por extraña que pueda parecer la idea, tiene sus raíces en la biología. Los insectos, sobre todo los que se alimentan de plantas, como saltamontes y orugas, han desarrollado sofisticados sistemas en el intestino para descomponer sustancias extrañas, como toxinas vegetales y pesticidas. Estos procesos metabólicos dependen de enzimas capaces de realizar complejas transformaciones químicas. Los investigadores del RIKEN plantearon la hipótesis de que los insectos podrían servir como fábricas químicas vivientes, realizando los tipos de modificaciones químicas de los nanocarbonos que son difíciles de reproducir en el laboratorio.
Para probar su concepto, el equipo alimentó a orugas de gusanos cortadores del tabaco -plagas agrícolas comunes con vías metabólicas bien cartografiadas- con una dieta que contenía un nanocarbono molecular en forma de cinturón conocido como [6]MCPP. Dos días después, el análisis de la caca de la oruga reveló una nueva molécula, el [6]MCPP-oxileno, que es [6]MCPP al que se le ha incorporado un átomo de oxígeno. Este sutil cambio hizo que la molécula se volviera fluorescente.
Mediante técnicas como la espectrometría de masas, la RMN y la cristalografía de rayos X, los investigadores determinaron la estructura del [6]MCPP-oxileno. Los experimentos de biología molecular señalaron dos enzimas, CYP X2 y X3, como responsables de la transformación. Otros análisis genéticos confirmaron que estas enzimas son esenciales para que se produzca la reacción.
Las simulaciones por ordenador revelaron que estas enzimas podían unirse simultáneamente a dos moléculas de [6]MCPP-oxileno e insertar directamente un átomo de oxígeno en un enlace carbono-carbono, un fenómeno poco frecuente y no observado anteriormente. "Es extremadamente difícil reproducir en un laboratorio las reacciones químicas que se producen en el interior de los insectos", explica Itami. "Los intentos de laboratorio de esta reacción de oxidación fracasaron o tuvieron rendimientos muy bajos".
Fiel a la filosofía del PRI, este trabajo es pionero en una nueva dirección en la ciencia de materiales: fabricar moléculas funcionales utilizando insectos. El paso de los tradicionales tubos de ensayo a los sistemas biológicos -enzimas, microbios o insectos- permitirá construir nanomoléculas complejas. Más allá de los nanocarbonos moleculares brillantes, con herramientas como la edición del genoma y la evolución dirigida, la síntesis en insectos podría aplicarse a una amplia gama de moléculas y funciones, forjando vínculos entre la química orgánica y la biología sintética.
"El gusano cortador del tabaco es una plaga agrícola muy conocida por su rápido ciclo vital y su excepcional capacidad para metabolizar pesticidas, lo que le ha valido la reputación de villano mundial en la industria de la protección de cultivos", explica Itami. "Y sin embargo, lo que nos parece realmente fascinante, es que en nuestro proyecto, estas mismas polillas asumieron un papel inesperado, no como adversarios, sino como héroes improbables".
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