Nuevo sistema catalítico que usa la luz como fuente de energía y agua como aportador de electrones
Investigadores del Instituto de Tecnología Química (ITQ), centro mixto de la Universitat Politècnica de València y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y de la Universidad de Delft (Holanda), han conseguido un nuevo sistema fotobiocatalítico que podría cambiar sustancialmente procesos de preparación de moléculas activas para fármacos y, en general, productos de la industria química basados en catálisis. El sistema utiliza enzimas como catalizadores, agua como aportador de electrones y luz como fuente de energía. Los resultados del trabajo desarrollado por los investigadores españoles y holandeses acaban de ser publicados en la revista Nature Communications.
Este estudio demuestra, por primera vez, la viabilidad de las reacciones fotobiocatalíticas, bioredox con agua como aportador de electrones. La fuerza termodinámica impulsora necesaria para la oxidación del agua se ha conseguido obtener con radiación Ultravioleta y luz visible mediante fotocatalizadores simples basados en dióxido de titanio.
La nueva combinación de una enzima, luz (del espectro UV y del visible), fotocatalizador y agua como fuente de electrones para biocatálisis abre el camino hacia posibles alternativas tecnológicas para la producción enzimática de nuevos fármacos y la farmaindustria en general, fitosanitarios y en diversos sectores específicos de la química ‘fina’.
El trabajo ha sido liderado por Avelino Corma, en el ITQ –único centro de excelencia Severo Ochoa en el campo de la química-, y Frank Hollmann, en el Departamento de Biotecnología de la Universidad Tecnológica de Delft.
En este proceso, los investigadores españoles y holandeses han utilizado enzimas para llevar a cabo reacciones denominadas enantioselectivas. Tal y como explica el profesor Corma, las enzimas son los catalizadores que actúan en los seres vivos: “se podría decir que gracias a ellas es posible la vida sobre la tierra, tal y como la conocemos”, apunta.
Algunas de estas enzimas se aíslan y se pueden utilizar para catalizar reacciones químicas a nivel industrial. Sin embargo existen enzimas, como por ejemplo las oxidoreductasas, que aun teniendo un claro interés industrial, no se utilizan debido al elevado coste del proceso. Esto es debido a que las oxidoreductasas requieren para su funcionamiento catalítico unas moléculas con elevado coste económico, denominadas cofactores, las cuales actúan como intermediarias en el proceso y se desactivan.
“Para reactivarlas y que puedan seguir funcionando es necesaria la asistencia de otros cofactores y enzimas, dando lugar a sistemas muy complejos y de difícil aplicación industrial. El sistema se puede simplificar utilizando un cosubstrato (otra molécula generalmente con coste elevado) que permite regenerar el cofactor. Sin embargo, el cosubstrato pierde su capacidad de reaccionar y se convierte en un residuo de la reacción. Es decir que por cada molécula de producto deseado generada, se produciría una molécula de cosubstrato desactivado como residuo, con el consiguiente perjuicio económico”. Este trabajo muestra que es posible acoplar un sistema foto catalítico con un proceso enzimático, consiguiendo lo que se denomina sistema fotobiocatalitico en el que el cosubstrato es simplemente agua.
“En otras palabras, mediante agua, luz y un semiconductor podemos generar los electrones y protones necesarios para que la enzima oxidoreductasa pueda actuar e hidrogenar moléculas enantioelectivamente. Este nuevo concepto y sistema fotobiocatalítico abre la posibilidad de utilizar de manera económicamente viable, procesos enzimáticos limitados por el coste del cofactor, como es el caso de las oxidoreductasas”, destaca Avelino Corma.
Proceso
Sara Iborra, coautora del trabajo e investigadora en el ITQ añade otras claves del estudio desarrollado: “el cofactor de nuestra catálisis, en este caso el ‘flavin’-mononucleótido-, que interviene en la reacción, toma un electrón de la oxidación del agua provocada por la luz y el fotocatalizador, lo transfiere a la enzima y ésta dispara y cataliza la reacción química; este proceso se regenera y repite una y otra vez. La energía termodinámica necesaria para la reacción se obtiene de la luz. Y todo ello se produce en unas condiciones ‘suaves’, es decir a temperatura ambiente. Además, gracias a la obtención de la energía de la luz y de los electrones del agua, el proceso se realiza sin producción de residuos y constituye una alternativa muy simple a los métodos extremadamente complicados que se utilizan en la actualidad para la regeneración de cofactores enzimáticos que implican transferencia de electrones. Estas son las ventajas más destacadas del nuevo proceso que hemos conseguido”.
Según explican, en muchos procesos de síntesis orgánica se obtiene una mezcla de dos isómeros (sustancias que, con igual composición química, tienen distintas propiedades). Se trata de isómeros (denominados enantiómeros) que solo se diferencian en que la estructura de uno es una imagen especular de la del otro, es decir solo se diferencian en la disposición espacial de los átomos y son moléculas simétricamente equivalentes pero diferentes, como en el caso de las dos manos de una persona.
“Este tipo de isómeros, aunque son compuestos diferentes y pueden tener actividades biológicas muy distintas, sus propiedades físicas y químicas son idénticas, y separarlos por métodos físicos o químicos es costoso”, añade María Mifsud, coautora e investigadora también del ITQ.
En la industria farmacéutica, por ejemplo, es muy importante obtener uno u otro enantiómero y en muchos casos se utilizan catalizadores enantioselectivos, que solo producen el isómero deseado. “Por ejemplo, el principio activo que se utiliza para el tratamiento del Parkinson, la L-dopa, es uno de los dos enantiómeros, pero es el que produce el efecto positivo de inhibición de la enfermedad. El otro enantiómero, su simétrico, en cambio, es tóxico y produce lo contrario. Esto da una idea de lo importante que es obtener la sustancia adecuada en estos procesos exactamente y no otra y, para ello es para lo que se usan los que llamamos catalizadores enantioselectivos” concluye María Mifsud.
Referencia bibliográfica
Maria Mifsud, Serena Gargiulo, Sara Iborra, Isabel W.C.E. Arends, Frank Hollmann y Avelino Corma. Photobiocatalytic chemistry of oxidoreductases using water as the electron donor. Nature Communications. doi:10.1038/ncomms4145
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