Por primera vez, los científicos han diseñado una enzima que puede romper los enlaces persistentes creados por el hombre entre el silicio y el carbono que existen en sustancias químicas ampliamente utilizadas conocidas como siloxanos o siliconas. El descubrimiento es un primer paso para hacer que los químicos, que pueden permanecer en el medio ambiente, sean biodegradables.

"La naturaleza es una química asombrosa, y su repertorio ahora incluye romper enlaces en siloxanos que antes se pensaba que evadían el ataque de organismos vivos", dice Frances Arnold, profesora Linus Pauling de Ingeniería Química, Bioingeniería y Bioquímica en Caltech y ganadora del Premio Nobel 2018. en Química por su trabajo pionero en evolución dirigida, un método para diseñar enzimas y otras proteínas utilizando los principios de selección artificial.

Arnold y sus colegas, incluido Dimitris (Dimi) Katsoulis de Dow Inc., con sede en Michigan, utilizaron la evolución dirigida para crear la nueva enzima que escinde los enlaces silicio-carbono. Los resultados se publican en la revista Science. .

Los investigadores dicen que si bien los usos prácticos de su enzima diseñada aún podrían tardar una década o más, su desarrollo abre la posibilidad de que algún día los siloxanos puedan degradarse biológicamente.

"Por ejemplo, los organismos naturales podrían evolucionar en entornos ricos en siloxano para catalizar una reacción similar, o versiones mejoradas de enzimas desarrolladas en laboratorio, como ésta, podrían usarse para tratar los contaminantes de siloxano en las aguas residuales", afirma Arnold.

Katsoulis explica que la naturaleza no utiliza enlaces silicio-carbono, "pero nosotros sí lo hacemos y lo hemos hecho durante unos 80 años. La naturaleza volátil de algunos de estos compuestos justifica investigaciones ambientales y de salud para comprender adecuadamente los mecanismos de degradación de estos materiales en el medio ambiente. ."

Los químicos siloxanos se pueden encontrar en innumerables productos, incluidos los utilizados en la limpieza del hogar, el cuidado personal y las industrias automotriz, de la construcción, electrónica y aeroespacial. La columna vertebral química de los compuestos está formada por enlaces silicio-oxígeno, mientras que los grupos que contienen carbono, a menudo metilo, están unidos a los átomos de silicio.

"La columna vertebral de silicio y oxígeno le da al polímero un carácter similar al inorgánico, mientras que los grupos silicio-metilo le dan al polímero características similares a las orgánicas. Por lo tanto, estos polímeros tienen propiedades materiales únicas, como alta estabilidad térmica y oxidativa, baja tensión superficial y alta flexibilidad de la columna vertebral, entre otras cosas", afirma Katsoulis.

Se cree que los siloxanos persisten en el medio ambiente durante días o meses y, por lo tanto, la investigación en curso tiene como objetivo proporcionar una mayor comprensión científica sobre la salud y la seguridad ambiental de los materiales de silicona.

Los químicos naturalmente comienzan a fragmentarse en pedazos más pequeños, especialmente en el suelo o en ambientes acuáticos, y esos fragmentos se vuelven volátiles o escapan al aire, donde se degradan al reaccionar con los radicales libres en la atmósfera. De todos los enlaces de los siloxanos, los enlaces silicio-carbono son los más lentos en romperse.

Katsoulis se acercó a Arnold para colaborar en los esfuerzos para acelerar la degradación del siloxano después de leer sobre el trabajo de su laboratorio para persuadir a la naturaleza a producir enlaces silicio-carbono. En 2016, Arnold y sus colegas utilizaron la evolución dirigida para diseñar una proteína bacteriana llamada citocromo c para formar enlaces silicio-carbono, un proceso que no ocurre en la naturaleza.

"Decidimos que la naturaleza hiciera lo que sólo los químicos podían hacer, sólo que mejor", dijo Arnold. La investigación demostró que la biología podría crear estos enlaces de formas más respetuosas con el medio ambiente que las utilizadas tradicionalmente por los químicos.

En el nuevo estudio, los investigadores querían encontrar formas de romper los vínculos en lugar de crearlos. Los científicos utilizaron la evolución dirigida para desarrollar una enzima bacteriana llamada citocromo P450.

La evolución dirigida es similar a la cría de perros o caballos en el sentido de que el proceso está diseñado para resaltar los rasgos deseados. Los investigadores identificaron por primera vez una variante del citocromo P450 en su colección de enzimas que tenía una capacidad muy débil para romper los enlaces silicio-carbono en los llamados metilsiloxanos volátiles lineales y cíclicos, un subgrupo común de la familia de los siloxanos.

Mutaron el ADN del citocromo P450 y probaron las nuevas enzimas variantes. Los mejores resultados fueron mutados nuevamente y las pruebas se repitieron hasta que la enzima estuvo lo suficientemente activa como para permitir a los investigadores identificar los productos de la reacción y estudiar el mecanismo por el cual funciona la enzima.

"La evolución de enzimas para romper estos enlaces en los siloxanos presentó obstáculos únicos. Con la evolución dirigida, debemos evaluar cientos de nuevas enzimas en paralelo para identificar algunas variantes enzimáticas con actividad mejorada", dice Tyler Fulton (Ph.D.), codirector autor del estudio y becario postdoctoral en Caltech en el laboratorio de Arnold.

Uno de los desafíos involucró las moléculas de siloxano que lixiviaban componentes plásticos de las placas de 96 pocillos utilizadas para detectar las variantes. Para resolver el problema, el equipo creó nuevas placas hechas con materiales de laboratorio comunes.

"Otro desafío fue encontrar la enzima inicial para el proceso de evolución dirigida, una que tuviera incluso una pequeña cantidad de la actividad deseada", dice Arnold. "Lo encontramos en nuestra colección única de citocromo P450 evolucionado en el laboratorio para otros tipos de química del silicio nuevos en la naturaleza".

La enzima mejorada final no escinde directamente el enlace silicio-carbono, sino que oxida un grupo metilo en los siloxanos en dos pasos secuenciales. Básicamente, esto significa que dos enlaces carbono-hidrógeno se reemplazan por enlaces carbono-oxígeno, y este cambio permite que el enlace silicio-carbono se rompa más fácilmente.

La investigación establece paralelismos con estudios que involucran una enzima que come plástico, explica Fulton, refiriéndose a una enzima que degrada el tereftalato de polietileno (PET) descubierta en la bacteria Ideonella sakaiensis en 2016 por un grupo diferente de investigadores.

"Si bien la enzima que degrada el PET fue descubierta por la naturaleza y no por los ingenieros, esa enzima inspiró otras innovaciones que finalmente están dando frutos para la degradación del plástico. Esperamos que esta demostración inspire de manera similar nuevos trabajos para ayudar a descomponer los compuestos de siloxano", afirma. .

Más información: Nicholas S. Sarai et al, Evolución dirigida de la escisión enzimática del enlace silicio-carbono en siloxanos, Ciencia (2024). DOI:10.1126/science.adi5554. www.science.org/doi/10.1126/science.adi5554

Información de la revista: Ciencia

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de California