Los sistemas de reacción basados ​​en enzimas libres de microorganismos ahora se utilizan para la producción de hidrógeno, bioelectricidad y productos bioquímicos útiles. En estos biosistemas, las materias primas denominadas sustratos se descomponen mediante una serie de enzimas (es decir, catalizadores biológicos) para obtener el producto final deseado. En varios casos, los sustratos son carbohidratos como sacarosa, celulosa o almidón. En el primer paso de estas reacciones, la sacarosa se convierte en derivados de glucosa como ɑ-glucosa 1-fosfato (ɑ-G1P) o glucosa 6-fosfato (G6P), que sirven como intermediarios importantes para reacciones posteriores.

A pesar de su practicidad de uso y bajo costo, la maltosa rara vez se usa como sustrato para biosistemas enzimáticos. Esto se debe a que las enzimas tradicionales convierten la maltosa en β-G1P en lugar de ɑ-G1P (su imagen especular) o G6P. A diferencia de ɑ-G1P y G6P, β-G1P no puede procesarse más para obtener el producto final deseado.

Un nuevo estudio, publicado el 1 de julio de 2022 en BioDesign Research , ha resuelto este problema de una forma muy innovadora. En este estudio, investigadores de China desarrollaron un nuevo biosistema enzimático sintético que permite la biofabricación de productos valiosos utilizando maltosa como sustrato. El profesor Chun You, investigador principal del estudio, comenta que "la maltosa es tan rentable que es el azúcar de elección en la industria alimentaria. Sin embargo, sus aplicaciones como materia prima para la biosíntesis han sido limitadas durante mucho tiempo. Nuestro nuevo El biosistema de reacción sintética resuelve este problema y permite un mayor uso de maltosa en el sector de la biofabricación".

Cada molécula de maltosa se compone de dos moléculas de glucosa, unidas a través de los átomos de carbono primero y cuarto. En comparación, la sacarosa consiste en una molécula de glucosa y una de fructosa, unidas a través del primer y segundo átomo de carbono. A través de un riguroso enfoque gradual, el Prof. You y su equipo primero diseñaron procesos enzimáticos que teóricamente podrían convertir tanto las moléculas de glucosa en maltosa en G6P. Luego purificaron individualmente estas enzimas, optimizaron la "receta" y construyeron el biosistema de reacción enzimática in vitro, que constaba de tres enzimas:maltosa fosforilasa (MP), β-fosfoglucomutasa (β-PGM) y polifosfato glucoquinasa (PPGK). Sus resultados preliminares demostraron que su estrategia fue exitosa:el sistema enzimático de tres partes podía convertir cada molécula de maltosa en dos moléculas de G6P.

Alentado por estos hallazgos, el grupo se dispuso a escalar otro pico. G6P era solo un intermediario. Su objetivo real era lograr productos finales valiosos a partir de la maltosa. Para ello, se centraron en dos productos importantes, el primero de los cuales fue la fructosa 1,6-difosfato (FDP). Se eligió FDP por su valor clínico en el tratamiento de lesiones isquémicas, convulsiones y complicaciones de la diabetes. El segundo producto fue la bioelectricidad, una forma de energía ecológica.

Se diseñaron dos sistemas de reacción separados para estos productos finales. El módulo enzimático de tres partes fue el componente principal de estos dos sistemas de reacción. Posteriormente, el primer sistema de reacción recibió enzimas aguas abajo para la síntesis de FDP a partir de G6P, mientras que las enzimas que permitieron la generación de bioelectricidad a partir de G6P se agregaron al segundo sistema.

A través de sus diseños inteligentes, el biosistema productor de FDP in vitro de 5 enzimas y el sistema de batería de 14 enzimas lograron la producción eficiente de FDP y bioelectricidad, respectivamente. El rendimiento de FDP podría incrementarse a más del 88 % del rendimiento teórico, mientras que la bioelectricidad producida tenía una eficiencia energética de más del 96 % y una densidad de potencia máxima de 0,6 milivatios por centímetro cuadrado.

Juntos, estos hallazgos aumentan los casos de uso de maltosa como sustrato de biosíntesis. El Prof. You explica que "el potencial de la maltosa como materia prima para la biofabricación está en gran parte desaprovechado. Nuestro estudio propone nuevos escenarios de aplicación para este azúcar. Si bien en este estudio nos centramos en FDP y bioelectricidad, hay muchas otras aplicaciones, que pueden ser explorado en estudios futuros". Agrega que su "estrategia también representa un enfoque novedoso para la generación altamente eficiente de bioelectricidad y bioquímicos útiles". + Explora más

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