Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología Química (ITQ) - centro mixto de la Universitat Politècnica de València (UPV) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) - y de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos), han logrado desarrollar un nuevo sistema fotobiocatalítico que podría cambiar sustancialmente los procesos de preparación de moléculas activas para fármacos y, en general, los productos de la industria química basados en catálisis (transformación química motivada por sustancias que no se alteran en el curso de la reacción).
Los resultados del trabajo, basado en un sistema que utiliza enzimas como catalizadores, agua como aportador de electrones y luz como fuente de energía, acaban de ser publicados en la revista Nature Communications.
El estudio demuestra, por primera vez, la viabilidad de las reacciones fotobiocatalíticas, bioredox con agua. La fuerza termodinámica impulsora necesaria para la oxidación del agua se ha conseguido obtener con radiación ultravioleta y luz visible mediante fotocatalizadores simples basados en dióxido de titanio.
La nueva combinación de una enzima, luz (del espectro ultravioleta y del visible), fotocatalizador y agua como fuente de electrones para biocatálisis, abre el camino hacia posibles aplicaciones en la producción enzimática de nuevos fármacos y la farmaindustria en general, fitosanitarios y en diversos sectores específicos de la química 'fina'.
Estudio liderado por Avelino Corma y Frank Hollmann
El trabajo ha sido liderado por Avelino Corma en el ITQ -único centro de excelencia Severo Ochoa en el campo de la química-, y Frank Hollmann en el Departamento de Biotecnología de la Universidad Tecnológica de Delft.
En el proceso, los investigadores españoles y neerlandeses han utilizado enzimas para llevar a cabo reacciones denominadas 'enantioselectivas'. Tal y como explica el profesor Corma, las enzimas son los catalizadores que actúan en los seres vivos y, de hecho, "se podría decir que, gracias a ellas, es posible la vida sobre la tierra tal y como la conocemos".
El elevado coste de los cofactores para las oxirreductosas
Algunas de estas enzimas se aíslan y se pueden utilizar para catalizar reacciones químicas a nivel industrial. Sin embargo, existen enzimas, como por ejemplo las óxidorreductosas, que aun teniendo un claro interés industrial, no se utilizan debido al elevado coste del proceso.
Esto es debido a que las óxidorreductosas requieren para su funcionamiento catalítico unas moléculas con elevado coste económico, denominadas cofactores, las cuales actúan como intermediarias en el proceso y se desactivan.
La clave: el agua como cosubstrato
"Para reactivarlas y que puedan seguir funcionando", apunta Corma, "es necesaria la asistencia de otros cofactores y enzimas, dando lugar a sistemas muy complejos y de difícil aplicación industrial. El sistema se puede simplificar utilizando un cosubstrato (otra molécula generalmente con coste elevado) que permite regenerar el cofactor. Sin embargo, el cosubstrato pierde su capacidad de reaccionar y se convierte en un residuo de la reacción. Es decir que, por cada molécula de producto deseado generada, se produciría una molécula de cosubstrato desactivado como residuo, con el consiguiente perjuicio económico".
El trabajo desarrollado demuestra que es posible acoplar un sistema fotocatalítico con un proceso enzimático, consiguiendo lo que se denomina sistema fotobiocatalitico en el que el cosubstrato es simplemente agua.
"En otras palabras", prosigue Corma, "mediante agua, luz y un semiconductor podemos generar los electrones y protones necesarios para que la enzima óxidorreductosa pueda actuar e hidrogenar moléculas 'enantioelectivamente'. Este nuevo concepto y sistema fotobiocatalítico abre la posibilidad de utilizar, de manera económicamente viable, procesos enzimáticos limitados por el coste del cofactor, como es el caso de las óxidorreductosas".
Una alternativa simple que evita la producción de residuos
Sara Iborra, coautora del trabajo e investigadora en el ITQ, añade otras claves del estudio desarrollado: "El cofactor de nuestra catálisis, en este caso el 'flavin' -mononucleótido- que interviene en la reacción, toma un electrón de la oxidación del agua provocada por la luz y el fotocatalizador, lo transfiere a la enzima y ésta dispara y cataliza la reacción química. El proceso se regenera y repite una y otra vez. La energía termodinámica necesaria para la reacción se obtiene de la luz. Y todo ello se produce en unas condiciones 'suaves', es decir a temperatura ambiente".
"Además", indica Iborra, "gracias a la obtención de la energía de la luz y de los electrones del agua, el proceso se realiza sin producción de residuos y constituye una alternativa muy simple a los métodos extremadamente complicados que se utilizan en la actualidad para la regeneración de cofactores enzimáticos que implican transferencia de electrones. Estas son las ventajas más destacadas del nuevo proceso que hemos conseguido".
La fundamental selección del enantiómero
Según explican desde el ITQ, en muchos procesos de síntesis orgánica se obtiene una mezcla de dos isómeros (sustancias que, con igual composición química, tienen distintas propiedades). Se trata de isómeros (denominados enantiómeros) que solo se distinguen en que la estructura de uno es una imagen especular de la del otro, es decir, solo se diferencian en la disposición espacial de los átomos. Son, en definitiva, moléculas simétricamente equivalentes pero diferentes, como las dos manos de una persona.
"Este tipo de isómeros, aunque son compuestos diferentes y pueden tener actividades biológicas muy distintas, tienen propiedades físicas y químicas idénticas, y separarlos por métodos físicos o químicos es costoso", añade Sara Iborra.
En la industria farmacéutica, por ejemplo, es muy importante obtener uno u otro enantiómero y, en muchos casos, se utilizan catalizadores enantioselectivos, que solo producen el isómero deseado. Por ejemplo, el principio activo que se utiliza para el tratamiento del Parkinson, la L-dopa, es uno de los dos enantiómeros, que es es el que produce el efecto positivo de inhibición de la enfermedad. El otro enantiómero, su simétrico, en cambio, es tóxico y produce lo contrario.
Todo ello, como concluye María Mifsud, coautora e investigadora del ITQ, "da una idea de lo importante que es obtener exactamente la sustancia adecuada en estos procesos y no otra. Precisamente para ello se usan los que llamamos catalizadores enantioselectivos".
