Las enzimas son moléculas de proteínas que catalizan reacciones químicas en los organismos vivos. Son altamente selectivos y eficientes, lo que permite que se produzcan reacciones complejas en condiciones de reacción suaves. Sin embargo, el alcance del sustrato de las enzimas suele ser limitado, lo que significa que sólo pueden catalizar una gama estrecha de reacciones.
"Ampliar el repertorio catalítico de enzimas es un objetivo de larga data en química y biotecnología", afirma Tobias Erb, profesor de Biología Química y Genética de la JGU. "Esto nos permitiría utilizar enzimas para una gama más amplia de reacciones sintéticas y potencialmente desarrollar nuevos procesos biocatalíticos para la producción de productos farmacéuticos y otros productos químicos finos".
Una forma de ampliar el alcance del sustrato de las enzimas es diseñarlas mediante la introducción de mutaciones o modificaciones químicas. Sin embargo, este enfoque suele ser tedioso y requiere mucho tiempo, y puede resultar difícil predecir qué modificaciones conducirán a la actividad catalítica deseada.
"Queríamos desarrollar una estrategia más general que nos permitiera ampliar la gama catalítica de enzimas de forma racional y eficiente", explica Christopher Gregg, investigador postdoctoral del grupo de Erb. "Nos inspiró el hecho de que muchas enzimas contienen iones metálicos que son esenciales para su actividad catalítica".
Los investigadores plantearon la hipótesis de que al introducir un sitio de unión a metal en una estructura enzimática existente, podrían crear una metaloenzima artificial con una nueva actividad catalítica. Para probar esta hipótesis, fusionaron un sitio de unión de zinc diseñado racionalmente con una estructura enzimática derivada de la enzima corismato mutasa.
"Estuvimos encantados de descubrir que la proteína de fusión mostraba una promiscuidad catalítica sin precedentes", dice Gregg. "Pudo catalizar la cicloadición de aziridinas con dióxido de carbono para producir oxazolidinonas, una reacción que hasta ahora no se ha observado en la naturaleza".
Los investigadores creen que su estrategia también puede utilizarse para ampliar la gama catalítica de otras enzimas. "Actualmente estamos trabajando para ampliar el alcance de nuestra metaloenzima artificial a otros tipos de reacciones", afirma Erb. "También estamos explorando el uso de otros iones metálicos y estructuras enzimáticas".
El estudio, publicado en Nature Chemistry el 20 de febrero de 2023, abre nuevas posibilidades para el diseño de procesos biocatalíticos. Ampliando la gama catalítica de enzimas, tal vez sea posible desarrollar métodos más eficientes y respetuosos con el medio ambiente para la producción de una variedad de productos químicos.
