Minúsculas perlas conservan enzimas para biocatálisis
Aumento de la estabilidad de las enzimas bajo tratamiento con plasma hasta un factor de 44
Los plasmas pueden proporcionar el cosustrato necesario para la biocatálisis de sustancias valiosas, pero también son perjudiciales para las enzimas. Al unir las enzimas a pequeñas perlas, éstas quedan protegidas y permanecen activas hasta 44 veces más tiempo.
Algunas enzimas, como la derivada de hongos e investigada en este estudio, son capaces de producir sustancias valiosas como la fragancia (R)-1-feniletanol. Para ello, convierten un sustrato menos costoso utilizando un co-sustrato. A un equipo de investigadores del Departamento de Biología de la Universidad del Ruhr de Bochum (Alemania) se le ocurrió suministrarles este cosustrato mediante un plasma, una idea un tanto descabellada, ya que los plasmas suelen tener un efecto destructivo sobre las biomoléculas. Sin embargo, empleando varios trucos, los investigadores dirigidos por la profesora Julia Bandow y el Dr. Tim Dirks lo consiguieron. Ahora han perfeccionado uno de estos trucos y mejorado así el proceso: Adhieren las enzimas a pequeñas perlas para mantenerlas en el fondo del reactor, donde están protegidas de los efectos dañinos del plasma. Al identificar el tipo de perla más adecuado, también aumentaron la estabilidad de la enzima 44 veces. Publicaron sus hallazgos en la revista Journal of the Royal Society Interface del 25 de octubre de 2023.
Enzima modelo de un hongo comestible
"En la biocatálisis impulsada por plasma, pretendemos utilizar plasmas técnicos para impulsar enzimas que utilizan peróxido de hidrógeno para convertir un sustrato en un producto más valioso", explica Julia Bandow, directora del Departamento de Microbiología Aplicada. Los plasmas -gases cargados energéticamente- producen peróxido de hidrógeno, así como diversas especies reactivas.
Los investigadores utilizan la peroxigenasa inespecífica(AaeUPO) del hongo comestible Agrocybe aegerita como enzima modelo. En estudios iniciales demostraron que, aunque funciona para la biocatálisis por plasma, presenta algunas limitaciones fundamentales. "El factor decisivo fue que las enzimas son sensibles al tratamiento con plasma y, por tanto, se inactivan en poco tiempo", explica Tim Dirks, autor principal del estudio actual. "Para evitarlo, utilizamos el método de inmovilización de enzimas uniéndolas a pequeñas perlas con una superficie porosa".
Las perlas atrapan las enzimas en el fondo
Debido a la gravedad, estas perlas se sitúan en el fondo de la muestra y la solución tampón situada encima proporciona una zona protectora entre la fase plasmática de la parte superior y las enzimas. El equipo de investigación observó en una fase temprana que los diferentes métodos de inmovilización también conducían a diferentes tasas de supervivencia de las enzimas. El objetivo del presente estudio era, por tanto, investigar los efectos de los distintos métodos de inmovilización sobre la estabilidad plasmática de las enzimas utilizando un conjunto más amplio de enzimas.
Se seleccionaron cinco enzimas diferentes; dos de ellas también convierten el peróxido de hidrógeno y tres no requieren peróxido de hidrógeno para su actividad. Los investigadores probaron nueve tipos diferentes de microesferas, algunas de las cuales tenían una superficie de resina y otras una superficie de sílice con o sin recubrimiento de polímero. Tras la inmovilización, las enzimas se trataron con plasma durante un máximo de cinco minutos. A continuación, los investigadores compararon su actividad residual con la de controles no tratados.
El camino hacia nuevas aplicaciones
Las perlas con superficie de resina mostraron los mejores resultados para las cinco enzimas. "Las perlas amino y epoxi-butilo obtuvieron los mejores resultados", afirma Tim Dirks. En ambos casos, las enzimas forman un fuerte enlace covalente con el material portador, que no puede disociarse. "Este tipo de inmovilización parece limitar la movilidad de las enzimas, lo que las hace menos susceptibles a la inactivación inducida por el plasma", subraya Tim Dirks. Al prolongar el tratamiento con plasma de los candidatos más prometedores hasta una hora, el equipo pudo aumentar la estabilidad de las enzimas bajo tratamiento con plasma mediante inmovilización hasta un factor de 44. "Los resultados de este estudio allanan el camino para nuevas aplicaciones que combinen enzimas con plasmas técnicos en el futuro", concluyen los investigadores.
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