Las enzimas son los impulsores centrales de los procesos metabólicos bioquímicos en cada célula viva, permitiendo que las reacciones tengan lugar de manera eficiente. Es esta capacidad la que los hace útiles como catalizadores en biotecnología, por ejemplo, para crear productos químicos como farmacéuticos. Un tema que se está discutiendo ampliamente en la actualidad es la catálisis fotoinducida, en el que los investigadores aprovechan la capacidad de iniciar reacciones bioquímicas utilizando la luz. Este proceso requiere enzimas que se pueden activar mediante la luz. No lo es, sin embargo, una cuestión simple para incorporar las pocas enzimas que se activan por la luz de origen natural en los procesos biotecnológicos, ya que son altamente especializados y difíciles de manipular.

Investigadores de las universidades de Münster (Alemania) y Pavía (Italia) han identificado ahora una enzima que se vuelve catalíticamente activa cuando se expone a la luz azul y que desencadena inmediatamente una reacción hasta ahora desconocida en enzimología. La reacción en cuestión es una reacción especial de monooxigenasa, en el que se transfiere un átomo de oxígeno al sustrato. La reacción está respaldada por una molécula auxiliar que libera dos electrones paso a paso. Previamente, se suponía que tal reacción dependiente de la luz no puede ocurrir en las enzimas.

"La enzima que hemos identificado pertenece a una gran familia de enzimas, y es realista suponer que otras enzimas que pueden ser activadas por la luz pueden producirse mediante manipulación genética y usarse en una amplia gama de aplicaciones, "dice el Dr. Steffen L. Drees, quien dirigió el estudio y trabaja en el Instituto de Microbiología Molecular y Biotecnología de la Universidad de Münster. Una posible aplicación, por ejemplo, es la producción de fármacos activados por medio de la luz. El estudio ha sido publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

En su estudio, los investigadores investigaron la enzima PqsL, que se encuentra en el patógeno oportunista Pseudomonas aeruginosa y, originalmente no dependía de la luz. Los investigadores estimularon la enzima con luz azul y analizaron la reacción utilizando una combinación de técnicas espectroscópicas y cristalográficas de resolución temporal.

La enzima pertenece a la familia de las flavoproteínas, y típicamente para esta familia de proteínas, utiliza un derivado de la vitamina B2 como cofactor para catalizar la incorporación de oxígeno en moléculas orgánicas. El cosustrato NADH (dinucleótido de nicotinamida y adenina reducido) es necesario como "molécula auxiliar" para la reacción enzimática, proporcionando los electrones necesarios. El mecanismo de reacción que los investigadores observaron en su estudio se desconocía previamente. Activado por la exposición a la luz en el complejo flavin-NADH, NADH transfiere un solo electrón a la flavina unida a la proteína. De este modo, Se crea un radical flavina:esta es una molécula altamente reactiva caracterizada por un electrón desapareado. Usando espectroscopia resuelta en el tiempo, los investigadores pudieron observar cómo la molécula se formó y cambió de estado.

El radical flavin tiene un potencial redox muy negativo, lo que significa que tiene una gran capacidad para transferir electrones a los compañeros de reacción. "Debido a esta propiedad, asumimos que el radical flavina también puede permitir que se produzcan reacciones adicionales, que expandiría el potencial catalítico de esta enzima, así como también de otras enzimas, quizás, "dice la líder del grupo, la profesora Susanne Fetzner.

La enzima identificada es la única hasta ahora que no es fotoactiva de forma natural. y lleva a cabo una reacción independiente de la luz en la célula bacteriana. "La estructura tridimensional de la enzima muestra que el cofactor de flavina que mira hacia afuera podría ser la clave para la fotoactivación, "dice Simon Ernst, primer autor del estudio.

Las enzimas fotoactivas permiten una gran cantidad de aplicaciones, por ejemplo, catálisis de varios pasos en una reacción de un recipiente o catálisis resuelta espacialmente, por ejemplo, para funcionalizar superficies en ciertos patrones. También pueden ser útiles para la llamada activación de profármacos en el cuerpo o en la piel; este es un proceso en el que una sustancia farmacológica se activa solo después de la metabolización en el organismo.