Combinación de enzimas y metales para futuros catalizadores
Lo mejor de dos mundos
Como biocatalizadores, las enzimas gestionan el metabolismo de todos los seres vivos. Lo hacen con extrema precisión, ya que incluso una sola sustancia mal convertida podría tener consecuencias fatales para el organismo. Los jóvenes investigadores del Campus Científico Leibniz ComBioCat están utilizando este enfoque selectivo de las enzimas y las proteínas en general para desarrollar los catalizadores del futuro: las llamadas metaloenzimas artificiales. En el futuro, se utilizarán combinaciones de catalizadores biológicos y químicos para diseñar moléculas complejas, por ejemplo, para productos farmacéuticos, de forma selectiva y fiable.
Se prueba el catalizador de cobre, la parte química de la futura metaloenzima, en una solución de alquenos cíclicos. La reacción se inicia bajo luz ultravioleta.
LIKAT/Maslack
Lo mejor de dos mundos
En el Instituto Leibniz de Catálisis de Rostock, LIKAT, el estudiante de doctorado Paul Hünemörder está actualmente en proceso de unir un catalizador de cobre con una enzima o proteína como parte del ScienceCampus ComBioCat. El nuevo catalizador pretende combinar "lo mejor de ambos mundos", por así decirlo, explica. "Los catalizadores químicos funcionan rápidamente y producen altos rendimientos, pero por desgracia también producen subproductos indeseables en el proceso". Eso no ocurre con las biomoléculas, dice, porque son "altamente selectivas".
El desarrollo de metaloenzimas es un nuevo campo de investigación en química. En el LIKAT se está trabajando en el grupo de investigación de Esteban Mejìa, director del doctorado de Paul Hünemörder. "El truco consiste en encontrar puntos de conexión a nivel molecular en los que la proteína y el metal puedan unirse", explica Esteban Mejìa. Todavía no hay metaloenzimas artificiales de uso industrial. Según Mejìa y Hünemörder, hasta ahora también han fracasado porque "las proteínas tienen que ser modificadas, es decir, modificadas genéticamente, para este fin". Esto las hace demasiado caras para su uso generalizado.
Enzimas de la naturaleza
Desde el punto de vista químico, Paul Hünemörder optó por el cobre como centro reactivo. La búsqueda de una enzima adecuada fue responsabilidad de los bioquímicos de la Universidad de Greifswald. Eligieron una proteína llamada Lactococcus Multidrug Resistance Regulator, o LmrR para abreviar. Como proteína, provoca la resistencia a los antibióticos en las bacterias lácticas. Su ventaja es que puede utilizarse tal y como se encuentra en la naturaleza y no necesita ser modificada genéticamente.
Las proteínas consiguen su efecto principalmente a través de su complejo plegado, su estructura proteica. En el caso del LmrR, esto crea un bolsillo plano, "una especie de rendija", como dice Paul Hünemörder. Esto le dio la idea de hundir la parte sintética del catalizador, cada una con un átomo de cobre en el centro, en esta ranura como una moneda y conectarla a la proteína de esta manera.
Corsé para el átomo de cobre
El requisito previo es una especie de corsé para el átomo de cobre, un marco catalizador, o ligando en la jerga técnica. Según Paul Hünemörder, la búsqueda de una sustancia adecuada resultó bastante difícil. La única sustancia adecuada fue la terpiridina, un ligando en forma de pinza, que se llama así porque su forma le permite pinzar el catalizador.
"Pero lo más importante es que este ligando da al sistema de cobre una estructura muy plana", dice Paul Hünemörder. "Lo que hace que el catalizador encaje perfectamente en la 'ranura' de la enzima". Según las pruebas iniciales, parece que también funciona. En el futuro, la metaloenzima, que en este caso es estrictamente una "metaloproteína", convertirá los llamados alquenos cíclicos en precursores e intermedios para productos farmacéuticos. ¿Qué ventaja aporta ahí?
Imagen y reflejo
Desde el punto de vista de la estructura, los alquenos cíclicos suelen existir a la izquierda y a la derecha, imaginables como imagen y reflejo. En la naturaleza, las enzimas, con su acción catalítica altamente precisa, garantizan que sólo se produzca una variante, la "verdadera". En cambio, en una síntesis química se pueden producir ambas variantes. Desde el punto de vista químico, son completamente idénticas, pero en sus efectos fisiológicos a veces difieren drásticamente.
En los años 50, el analgésico talidomida causaba graves malformaciones en los niños no nacidos porque provocaba la formación de una variante molecular espejo en el organismo de la mujer embarazada. Por ello, en el ámbito industrial, a veces hay que separar estos productos finales con mucho esfuerzo para poder utilizar la variante molecular deseada.
Esto es precisamente lo que eliminaría el uso de una metaloenzima artificial. El objetivo de los trabajos de Rostock y Greifswald es conseguir que el modo de funcionamiento selectivo de la proteína LmrR produzca sólo la forma deseada de productos intermedios. Por ello, los químicos denominan a esta reacción como asimétrica.
Investigación del mecanismo
El centro de cobre del catalizador hace ahora su trabajo "de forma rápida y fiable", como pudieron demostrar en el laboratorio Paul Hünemörder y su grupo de investigación de estudiantes. Ahora el reto consiste en demostrar que la parte proteica del nuevo catalizador también funciona, es decir, que reconoce la "lateralidad" de los materiales de partida y sólo permite que reaccione la variante "correcta". Paul Hünemörder espera un resultado en otoño.
Los investigadores están convencidos de que las metaloenzimas artificiales darán a la industria química una ventaja decisiva en el futuro. Y el trabajo es también una ganancia teórica. Al analizar el mecanismo de la reacción, los jóvenes químicos identificaron un intermediario que resultó ser esencial para el proceso químico, pero que hasta ahora no había desempeñado ningún papel en la literatura técnica. Los hallazgos pueden ayudar a transferir el principio de la reacción a otras clases de sustancias.
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