En un emocionante avance en el campo la biotecnología, investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), una de las mayores y más prestigiosas instituciones académicas y de investigación de Alemania, han utilizados enzimas para desarrollar una nueva clase de materiales en forma de espumas que poseen una durabilidad y actividad extraordinarias. Estos nuevos biomateriales abren una serie de prometedoras oportunidades para la innovación en la biotecnología industrial, las ciencias de los materiales e incluso la tecnología alimentaria.
Los resultados de esta investigación se han publicado en la revista científica Advanced Materials, y ya se ha presentado una solicitud de patente para este novedoso proceso de fabricación de espumas de enzimas.
La biocatálisis industrial enzimática se considera un cambio de juego en el desarrollo de una industria química sostenible. Con la ayuda de las enzimas, es posible sintetizar una amplia variedad de moléculas complejas, como agentes farmacéuticos, en condiciones respetuosas con el medio ambiente.
Para avanzar en el campo de la biocatálisis industrial, que se utiliza principalmente para elaborar productos farmacéuticos y químicos especiales, los investigadores están trabajando intensamente en nuevas tecnologías de procesamiento. En la biocatálisis, en lugar de catalizadores químicos, las enzimas aceleran las reacciones, lo que ahorra materias primas y energía. El objetivo ahora es proporcionar biocatalizadores enzimáticos de manera continua y en grandes cantidades bajo las condiciones más suaves posibles. Para lograr transformaciones de materiales eficientes, las enzimas se inmovilizan en reactores de flujo microestructurados. Estas enzimas están espacialmente fijadas y unidas a un material portador de reacción, lo que limita su movilidad y aumenta la concentración de enzimas, lo que a su vez aumenta la productividad.
Normalmente, las enzimas cambian su estructura durante la formación de espuma y, como resultado, pierden su actividad biocatalítica. Sin embargo, las nuevas espumas de proteínas muestran una durabilidad y actividad extraordinarias. La actividad es una medida de la efectividad de la enzima, que asegura que las materias primas reaccionen entre sí lo más rápido posible. Para crear estas espumas de proteínas, se mezclan dos enzimas deshidrogenasas que tienen sitios de unión coincidentes, lo que les permite formar espontáneamente una red de proteínas estable.
«Luego, se agrega un flujo de gas a esta mezcla en un chip microfluídico para que se formen burbujas microscópicas de tamaño uniforme de manera controlada», explica el proceso el profesor Christof Niemeyer del Instituto de Interfaces Biológicas-1. La espuma de burbujas uniformes producida de esta manera se aplica directamente a chips de plástico y se seca, lo que provoca que las proteínas se polimericen y formen una estructura estable de panal hexagonal.
«Estas son espumas completas de enzimas monodispersas, es decir, redes tridimensionales y porosas compuestas exclusivamente de proteínas biocatalíticamente activas», describe Niemeyer la composición de los nuevos materiales. La estructura de panal hexagonal estable de las espumas tiene un diámetro de poro promedio de 160 µm y un grosor de lámina de 8 µm, y se forma a partir de las burbujas esféricas recién producidas de tamaño similar después de unos minutos.
Para utilizar las enzimas de manera eficiente en las transformaciones de sustancias, es necesario inmovilizarlas en grandes cantidades en condiciones lo más suaves posible para preservar su actividad. Hasta ahora, las enzimas se han inmovilizado en polímeros o partículas transportadoras, lo que requiere espacio en el reactor y puede afectar la actividad.
«En comparación con nuestros hidrogeles de enzimas completas ya desarrollados, los nuevos materiales basados en espumas crean una superficie mucho más grande donde puede tener lugar la reacción deseada», describe Niemeyer la mejora significativa. Contrariamente a los resultados teóricamente esperados, las nuevas espumas muestran sorprendentemente una durabilidad, resistencia mecánica y actividad catalítica de las enzimas notablemente altas, algo que no se había logrado hasta ahora en las proteínas espumantes.
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Los investigadores creen que la estabilidad se debe a los sitios de unión coincidentes con los que están equipadas las enzimas. Esto les permite unirse por sí mismas y formar una estructura altamente entrelazada durante el secado, lo que confiere al nuevo material una estabilidad única. «Sorprendentemente, las espumas de enzimas recién desarrolladas son significativamente más estables después de secarse durante cuatro semanas que las mismas enzimas sin espumas», explica Niemeyer las ventajas, «esto es de gran interés para la comercialización, ya que simplifica en gran medida la producción y el envío de stock».
Estos novedosos biomateriales abren diversas oportunidades para la innovación en la biotecnología industrial, las ciencias de los materiales e incluso la tecnología alimentaria. Por ejemplo, las espumas de proteínas podrían utilizarse en procesos biotecnológicos para producir compuestos valiosos de manera más eficiente y sostenible. El equipo de investigación pudo demostrar que estas espumas pueden utilizarse para producir el valioso azúcar tagatosa de manera industrial, el cual es una prometedora alternativa al azúcar refinado como edulcorante. Este avance promete revolucionar la forma en que utilizamos las enzimas en la industria y abrir nuevos horizontes en la biocatálisis industrial.
