Creación de enzimas ad hoc para la producción de bioadhesivos renovables

Un trabajo publicado recientemente en la revista ACS Catalysis por el grupo de “Biotecnología para la biomasa lignocelulósica” del Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas (CIB-CSIC) presenta el desarrollo de nuevas peroxigenasas fúngicas para su aplicación como biocatalizadores en reacciones de oxigenación, gracias a su actividad como monooxigenasas auto-suficientes, que hace que se comporten como “P450s con ventajas”. Como resultado de una colaboración internacional, este estudio describe también las bases estructurales de las propiedades catalíticas de estas enzimas sobre sustratos de interés (ácidos grasos insaturados) y, además, muestra el potencial para producir compuestos de alto valor añadido a escala preparativa a partir de dichos sustratos.

Municoy M. et al. han empleado potentes herramientas computacionales, tales como el software PELE de difusión de ligandos en proteínas, con el fin de simular el comportamiento de las enzimas con sus sustratos, de modo que se ha podido predecir satisfactoriamente el tipo de oxigenación (epoxidación o hidroxilación) de las nuevas peroxigenasas. Los datos computacionales se han combinado con el análisis experimental de los productos oxigenados resultantes y el escalado del proceso. Los análisis computacionales han sugerido algunos parámetros relacionados con la arquitectura del centro activo de las enzimas y la distribución de los dobles enlaces en los diferentes ácidos grasos, que se han identificado en las reacciones experimentales y se han confirmado a través de mutagénesis dirigida en el canal de acceso del hemo. De esta manera, se han podido desvelar las características estructurales que determinan las propiedades catalíticas de las diferentes enzimas analizadas.

El potencial de esta aproximación computacional y experimental para el desarrollo de nuevos procesos biotecnológicos en la producción enzimática de productos químicos biobasados ha quedado patente mediante la epoxidación preparativa regio y estereoselectiva de ácido α-linolénico. El producto de dicha reacción, ácido cis,cis-15(R),16(S)-octadeca-9,12-dienoico, fue obtenido empleando peroxigenasas salvajes y mutadas, alcanzando un 80-83% de exceso enantiomérico y más de un 99% de regioselectividad. Éste y otros monoepóxidos de ácidos grasos poliinsaturados son prácticamente imposibles de conseguir por métodos químicos. Por lo tanto, su síntesis enzimática, desarrollada como resultado último de este trabajo, representa una reacción nueva e interesante dada la actividad biológica de dichos compuestos, aparte de su aplicación en química orgánica como compuestos altamente reactivos.

Las herramientas mencionadas anteriormente se están evaluando en el marco del proyecto europeo SUSBIND, cuyo objetivo es el desarrollo de adhesivos completamente biobasados y respetuosos con el medio ambiente para IKEA (y otras empresas) en sustitución de los basados en formaldehído. Los adhesivos biobasados incluyen epóxidos de ácidos grasos insaturados, que se producen usando las enzimas mencionadas y aceites vegetales de la compañía Cargill. El proyecto SUSBIND ha recibido fondos de la iniciativa Bio-Based Industries Joint Undertaking, como parte del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, con acuerdo de subvención nº 792063.

Este trabajo es fruto de una colaboración entre el CIB-CSIC (Madrid), el IRNAS-CSIC (Sevilla), el Barcelona Supercomputing Center (Barcelona), la Universidad de Dresde (Alemania) y la PYME JenaBios (Alemania).

Referencia: Fatty-acid oxygenation by fungal peroxygenases: From computational simulations to preparative regio- and stereoselective epoxidation. Municoy M., González-Benjumea A., Carro J., Aranda C., Linde D., Renau-Mínguez C., Ullrich R., Hofrichter M., Guallar V., Gutiérrez A., and Martínez A.T. 2020. ACS Catal.  http://dx.doi.org/10.1021/acscatal.0c03165