Aprovechando la capacidad química de la naturaleza para una producción industrial más sostenible

La sociedad moderna depende en gran medida de los productos químicos industriales para mantener su calidad de vida y sus actividades económicas. Con todo, los métodos convencionales empleados para transformar las materias primas en una infinidad de productos finales, desde fármacos a plásticos, requieren frecuentemente grandes insumos de energía y altas temperaturas y, por tanto, son muy poco eficaces. Además, los procesos químicos industriales generalmente emplean sustancias peligrosas (como, por ejemplo, compuestos químicos corrosivos y metales tóxicos) y generan residuos nocivos.

Sin embargo, la naturaleza realiza sistemáticamente transformaciones químicas de forma eficaz y sostenible. Las enzimas, como catalizadores naturales, permiten a los organismos fotosintéticos (como las plantas) transformar el CO2 fijado en azúcares que, posteriormente, son empleados como elementos estructurales y fuentes de energía para diferentes productos y procesos. El objetivo de partida del proyecto financiado por la Unión Europea CARBAZYMES era investigar la mejor manera de aprovechar la capacidad intrínseca de la naturaleza para llevar a cabo transformaciones químicas rápidas, precisas y eficaces bajo condiciones de reacción suaves en aras de lograr una «química verde».

Cerrando la brecha entre los estudios en el laboratorio y la producción industrial a gran escala

Con el objetivo de mejorar la síntesis biocatalítica a gran escala de enlaces de carbono-carbono, crucial para la síntesis orgánica industrial, el equipo de CARBAZYMES primero tuvo que hacer frente a una serie de obstáculos previos que incluían, entre otros, el descubrimiento de una biblioteca de enzimas potentes para una variedad de reacciones así como largos plazos de desarrollo.

El equipo realizó progresos importantes gracias al diseño de herramientas avanzadas que permiten identificar y desarrollar un amplio conjunto de enzimas capaces de formar enlaces C-C con unas características óptimas muy adecuadas para procesos industriales sostenibles. CARBAZYMES está desarrollando la síntesis biocatalítica de diferentes compuestos, incluyendo una gama de cuatro compuestos químicos quirales finos y tres compuestos químicos a granel, identificados como relevantes para las necesidades del mercado. El proyecto también diseñó herramientas bioinformáticas de exploración de datos, métodos para el análisis de reacciones de alto rendimiento, técnicas de modelización de la estructura de proteínas, así como protocolos rápidos para la mutagénesis y la estabilización de enzimas. También generó una tecnología de microreactor para la caracterización de bioprocesos y la ingeniería avanzada de reacciones.

Hasta la fecha, el proyecto ya ha logrado crear una biblioteca de enzimas prometedoras y ha evaluado su idoneidad como catalizadores de reacciones químicas. Esta biblioteca incluye lo que los socios del proyecto definen como «enzimas mutantes», que poseen características óptimas para la evolución in vitro y el cribado de alto rendimiento. De hecho, el coordinador del proyecto, el Prof. Wolf-Dieter Fessner, reveló recientemente en una entrevista que un colaborador ya había descubierto una enzima y desarrollado un catalizador con unas propiedades muy próximas a las requeridas por los procesos industriales.

Según comentaba el Prof. Fessner: «Por mi amplia experiencia, pensaba que esto sería un obstáculo muy difícil de salvar debido a la alta reactivad de los sustratos. Sin embargo, ya hemos presentado una solicitud de patente, un hecho que me parece un gran logro teniendo en cuenta el poco tiempo que el proyecto lleva en marcha. Para mí, esto es verdaderamente sorprendente».

Los beneficios de la biotecnología

Los beneficios que se pueden obtener de las innovaciones en la síntesis a gran escala de enlaces C-C empleando los catalizadores enzimáticos naturales desarrollados por CARBAZYMES son muchos. A nivel económico, esto contribuirá a aumentar la eficacia de la producción gracias a la capacidad para desarrollar instalaciones a gran escala para los socios industriales. También generará nueva propiedad intelectual y ayudará a crear puestos de trabajo. Todo ello conferirá una mayor competitividad a la industria química europea en un mercado valorado en miles de millones de euros.

Los biocatalizadores desarrollados también proporcionarán oportunidades para la síntesis ulterior de muchos productos de gran valor, con un potencial enorme para reducir las emisiones, el consumo de energía y los residuos tóxicos. Como el Prof. Fessner explica: «Hay que tener en cuenta que, hoy día, se producen miles de millones de compuestos químicos a granel y, por tanto, si estos procesos pueden ser modificados a fin de que sean más respetuosos con el medio ambiente tendrá sin duda un impacto tremendamente positivo en nuestro planeta. Y es solo el comienzo». Los socios del proyecto prevén incluso reciclar restos de residuos orgánicos en componentes útiles para la industria química. 

Fuente: Basado en información del proyecto y en artículos aparecidos en medios de comunicación

CARBAZYMES - Sustainable industrial processes based on a C-C bond-forming enzyme platform