Un equipo de investigadores pioneros del Centro de Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos (CABBI) ha dado un importante salto adelante en el complejo mundo de la química molecular.

¿Su enfoque? Los azaarenos, piezas únicas de un rompecabezas molecular cruciales para muchos productos cotidianos, desde agroquímicos ecológicos hasta medicamentos esenciales. El equipo de CABBI demostró una forma innovadora de modificar estas moléculas, un descubrimiento innovador que promete nuevas reacciones químicas industrialmente relevantes y soluciones energéticas sostenibles.

Un elemento central de su investigación es el uso de sistemas fotoenzimáticos. En términos más simples, es similar a sobrecargar a los diminutos trabajadores de la naturaleza, las enzimas, con una linterna, permitiéndoles ensamblar o reparar estructuras moleculares de maneras sin precedentes. Aprovechando el poder de la luz, estos científicos han desenterrado nuevas reacciones químicas que antes se pensaba que estaban fuera de su alcance.

El estudio, publicado en Nature Chemistry , fue realizado por investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.

Los autores principales son el líder del tema de conversión CABBI, Huimin Zhao, profesor de ingeniería química y biomolecular (ChBE), líder del tema de diseño de biosistemas del Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica (IGB) y director del Instituto NSF Molecule Maker Lab en Illinois.; y Maolin Li, investigador postdoctoral asociado de CABBI, ChBE e IGB.

Los azaarenos, aparentemente minúsculos en el vasto universo de la química, desempeñan sin embargo un papel monumental. Son los componentes básicos de una gran cantidad de compuestos e influyen incluso en el ADN de nuestras células. Pero el desafío siempre ha estado en su manipulación.

Gracias al desarrollo por parte del equipo de un sistema ene-reductasa (un conjunto de herramientas moleculares especializadas que utiliza la enzima ene-reductasa que el laboratorio de Zhao ha implementado en estudios anteriores), los investigadores encontraron una manera de modificar de manera intrincada estas moléculas sin daños colaterales.

Uno de los logros más destacados de su trabajo es dominar la transferencia enantioselectiva de átomos de hidrógeno. Las moléculas suelen venir en versiones diestras y zurdas, o enantiómeros, muy parecidos a los guantes. El método del equipo les permite apuntar y ajustar selectivamente cualquiera de las versiones con una precisión incomparable. Además, a través del control remoto del estéreo podrían realizar esos ajustes precisos a distancia.

Para CABBI y el sector de la bioenergía, este descubrimiento supone un punto de inflexión. Los biocombustibles y los bioproductos (energía y productos derivados de material vegetal en lugar de recursos no renovables como el petróleo) representan un futuro más verde y sostenible. La investigación del equipo ha ampliado la gama de reacciones químicas y bioproductos que se pueden fabricar de manera eficiente.

El estudio también introdujo el concepto de fotocatálisis asimétrica, una técnica revolucionaria que garantiza la coherencia en estas reacciones. Esto puede abrir nuevas vías para producir biocombustibles y bioproductos a partir de una gama más amplia de materias primas de biomasa, lo que se alinea directamente con los objetivos de CABBI y la misión más amplia del DOE de promover energía sostenible y soluciones de productos.

"Con nuestro novedoso enfoque sobre los azaarenos y el uso de la transferencia enzimática de átomos de hidrógeno, no sólo estamos traspasando los límites de la química", dijo Zhao. "Estamos sentando las bases para un futuro más sostenible e innovador. Nuestra investigación ha ampliado el conjunto de herramientas disponibles para la producción ecológica y tiene el potencial de catalizar avances en agroquímicos y más".

Más allá del laboratorio, el potencial para aplicaciones en el mundo real es inmenso, desde liderar la energía sostenible hasta encabezar productos químicos agrícolas más seguros. Los avances en bioenergía y bioproductos pueden generar crecimiento económico, con nuevas industrias, empleos y productos para los consumidores y fuentes de energía potencialmente más asequibles. Al promover métodos de producción sostenibles y eficientes, la investigación puede reducir la contaminación y la degradación ambiental, lo que resultará en aire y agua más limpios para las comunidades.

Mientras el mundo se enfrenta a desafíos medioambientales y a la necesidad apremiante de soluciones sostenibles, descubrimientos como estos iluminan el camino a seguir, afirmó Li.

"Como investigador postdoctoral en este proyecto, he estado profundamente inmerso en las complejidades de los azaarenos y su potencial. Desentrañar los desafíos del control estéreo remoto y ser testigo de las posibilidades transformadoras de nuestros hallazgos ha sido realmente estimulante. Esta investigación no es sólo sobre los matices de las reacciones químicas; se trata del futuro de la energía sostenible y más. Estoy emocionado de ver a dónde nos lleva este viaje", dijo Li.

Más información: Li, M. et al, Estereocontrol remoto con azaarenos mediante transferencia enzimática de átomos de hidrógeno, Nature Chemistry (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01368-x. www.nature.com/articles/s41557-023-01368-x

Información de la revista: Química de la naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign