Además, aunque las esencias de vainilla derivadas químicamente están disponibles a bajo precio, no igualan el sabor del extracto de vainilla natural, y la demanda de este último sigue siendo alta. Además, las restricciones climáticas para el cultivo de plantas de vainilla y el rendimiento relativamente pequeño obtenido por planta han provocado una disminución de la oferta y un aumento en el precio del extracto de vainilla natural.

Para abordar estos desafíos, el profesor Toshiki Furuya del Departamento de Ciencias Biológicas Aplicadas de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Ciencias de Tokio y sus estudiantes de posgrado Shizuka Fujimaki y Satsuki Sakamoto desarrollaron con éxito una enzima que genera vainillina a partir de ácido ferúlico de origen vegetal.

"El ácido ferúlico, la materia prima, es un compuesto que se puede obtener en abundancia a partir de desechos agrícolas como el salvado de arroz y el salvado de trigo. La vainillina se genera simplemente mezclando ácido ferúlico con la enzima desarrollada a temperatura ambiente. Por lo tanto, la tecnología establecida puede proporcionan un método sencillo y respetuoso con el medio ambiente para producir compuestos aromatizantes", explica el profesor Furuya. Su estudio fue publicado el 10 de mayo de 2024 en Microbiología aplicada y ambiental. .

Los investigadores utilizaron métodos de ingeniería genética para modificar la estructura molecular de una enzima:"Ado". Ado es originalmente una enzima oxidasa que agrega un átomo de oxígeno al sustrato:isoeugenol.

En su estado nativo, no tiene la capacidad de convertir el ácido ferúlico en vainillina. Utilizando análisis de modelos estructurales, los investigadores pudieron predecir cambios de aminoácidos en Ado que permitirían su interacción con el ácido ferúlico.

En este sentido, llevaron a cabo una serie de experimentos reemplazando residuos de aminoácidos de fenilalanina y valina en posiciones específicas en la estructura de Ado, con varios otros aminoácidos. Luego examinaron la capacidad de conversión de ácido ferúlico de las diversas proteínas mutantes diseñadas.

Después de varias pruebas y errores, descubrieron que una proteína mutante en la que sólo tres residuos específicos de fenilalanina y valina fueron reemplazados por tirosina y arginina, reaccionaba de manera estable con ácido ferúlico y exhibía una alta actividad de conversión. En particular, la enzima diseñada no requirió ningún cofactor para la conversión, a diferencia de otras oxidasas, y produjo vainillina en una escala de gramos por litro de solución de reacción, con una mayor eficiencia catalítica y afinidad que la enzima de tipo salvaje.

La reacción solo requirió mezclar la enzima, ácido ferúlico y aire (oxígeno molecular), a temperatura ambiente, lo que lo convierte en un proceso simple, sostenible y económicamente escalable. Además, la enzima evolucionada molecularmente también mostró actividad de conversión hacia el ácido p-cumárico y el ácido sinápico, que son compuestos obtenidos de la degradación de la lignina, un producto de desecho agrícola común.

Hasta ahora, ninguna enzima microbiana o de origen vegetal ha mostrado la capacidad de convertir el ácido ferúlico en vainillina a escala industrial. Por lo tanto, la enzima desarrollada en el presente estudio muestra un potencial considerable para permitir la producción comercial y económicamente viable de vainillina natural.

Al explicar las implicaciones a largo plazo de su investigación, el profesor Furuya afirma:"Aprovechar el potencial de los microorganismos y las enzimas para obtener compuestos valiosos en condiciones suaves a partir de recursos vegetales renovables ofrece un enfoque sostenible para minimizar la huella ambiental".

"Actualmente, en colaboración con una empresa, nuestros esfuerzos de investigación se centran en lograr la implementación en el mundo real de la producción de vainillina mediante la utilización de la enzima recientemente desarrollada".