Químicos de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) han desarrollado un catalizador orgánico que puede impulsar reacciones usando piruvato, una biomolécula clave en muchas rutas metabólicas, que son difíciles y complicadas de lograr usando técnicas industriales convencionales.

La investigación, publicada recientemente en Organic Letters , es un paso importante hacia la simplificación del proceso de producción y el aumento de la gama de moléculas que se pueden construir a partir del piruvato, como los aminoácidos o los ácidos glicólicos, que se utilizan en los esfuerzos de descubrimiento de fármacos y medicamentos.

"Los catalizadores, sustancias que controlan y aceleran las reacciones químicas sin incluirse en los productos finales, son herramientas cruciales para los químicos", dijo Santanu Mondal, Ph.D. candidato en la Unidad de Química y Bioingeniería Química de la OIST y primer autor del estudio. "Y los catalizadores orgánicos, en particular, están destinados a revolucionar la industria y hacer que la química sea más sostenible".

Actualmente, los catalizadores metálicos se utilizan en la industria, que a menudo son costosos de obtener y producen desechos peligrosos. Los catalizadores metálicos también reaccionan fácilmente con el aire y el agua, lo que dificulta su almacenamiento y manipulación. Pero los catalizadores orgánicos se forman a partir de elementos comunes, como carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, por lo que son mucho más económicos, seguros y ecológicos.

"Además de estas ventajas, nuestro sistema de catalizador orgánico recientemente desarrollado también promueve reacciones que usan piruvato que no se pueden lograr fácilmente con catalizadores metálicos", agregó Santanu.

En todas las reacciones químicas, continuó explicando, las moléculas pueden reaccionar cediendo electrones o recibiéndolos. El piruvato es mucho mejor para recibir electrones cuando reacciona y, por lo general, se usa de esta manera en la industria para producir alcoholes y solventes orgánicos. Pero dentro de nuestros cuerpos, los catalizadores de proteínas llamados enzimas pueden impulsar reacciones en las que el piruvato dona electrones para producir moléculas como ácidos grasos y aminoácidos.

Inspirándose en estas enzimas, los investigadores diseñaron un sistema catalizador hecho de dos pequeñas moléculas orgánicas, un ácido y una amina, que obliga al piruvato a actuar como donante de electrones.

En la reacción, la amina se une al piruvato, formando una molécula intermedia. Luego, el ácido cubre parte de la molécula intermedia, mientras deja otra parte, que puede donar electrones, libre para reaccionar y formar un nuevo producto.

Es importante destacar que el sistema catalítico es altamente selectivo sobre qué forma del producto producirá. Al igual que nuestras manos, muchas biomoléculas son asimétricas y pueden existir en dos formas que son imágenes especulares entre sí. Estas moléculas se ven similares, pero a menudo tienen propiedades diferentes.

"Los catalizadores orgánicos se pueden diseñar de manera que al final de la reacción, solo se haga una de estas formas de imagen especular", dijo Santanu. "Esto es particularmente beneficioso en la industria farmacéutica, donde una de las formas puede ser un tratamiento efectivo, pero la otra forma puede ser tóxica".

Para las reacciones de piruvato, los investigadores pudieron elegir selectivamente cuál de las dos formas de imagen especular del producto final se haría, cambiando qué forma de imagen especular de la amina se usaba para catalizar la reacción.

Actualmente, el sistema de catalizador orgánico solo funciona cuando el piruvato reacciona con una clase específica de molécula orgánica, denominada iminas cíclicas. Pero, en última instancia, el equipo de investigación sueña con crear un catalizador de próxima generación para el piruvato que sea universal, lo que significa que puede acelerar las reacciones entre el piruvato y una amplia gama de moléculas orgánicas.

"Con un catalizador universal, los químicos podrían fabricar fácilmente una serie de diversos productos a partir del piruvato, en ambas formas de imagen especular", dijo Santanu. "Esto tendría muchos impactos significativos en la sociedad, como acelerar el desarrollo de nuevos medicamentos". + Explora más

Dar forma a los catalizadores del futuro