Cómo el diseño de enzimas revolucionará los procesos industriales ecológicos Por Instituto Weizmann de Ciencias*

*Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Las enzimas tienen el potencial de transformar la industria química al ofrecer alternativas ecológicas a una serie de procesos. Estas proteínas actúan como catalizadores biológicos y, con la ayuda de la ingeniería molecular, pueden hacer que las reacciones que ocurren naturalmente pasen a modo turbo.

Las enzimas hechas a medida podrían, por ejemplo, conducir a la fabricación de medicamentos no contaminantes; también podrían descomponer de manera segura contaminantes, aguas residuales y desechos agrícolas, y luego convertirlos en biocombustible o alimento para animales.

Un nuevo estudio del Instituto Weizmann de Ciencias, publicado en 2022 en la revista Science, acerca esta visión a la realidad. En su informe, los investigadores, encabezados por el profesor Sarel Fleishman del Departamento de Ciencias Biomoleculares, revelan un método computacional para diseñar miles de enzimas activas diferentes con una eficiencia sin precedentes, ensamblándolas a partir de bloques de construcción modulares diseñados.

Los bioquímicos suelen diseñar nuevas enzimas modificando aleatoriamente el ADN de las que ya existen de forma natural y examinando las variantes resultantes para determinar la actividad deseada, un proceso que puede llevar muchísimo tiempo.

El equipo de Fleishman tuvo la idea de generar grandes cantidades de enzimas muy diversas descomponiendo las naturales en fragmentos constituyentes que luego se pueden alterar y recombinar de diversas maneras.

La inspiración para este nuevo enfoque surgió de nuestro sistema inmunológico, que es capaz de producir miles de millones de anticuerpos diferentes (proteínas que, en principio, pueden contrarrestar cualquier microorganismo dañino) a partir de los fragmentos que dicta una cantidad relativamente pequeña de genes.

“Los anticuerpos son la única familia de proteínas en la naturaleza que se conoce que se genera de manera modular”, explica Fleishman. “Su enorme diversidad se logra recombinando fragmentos genéticos preexistentes, de manera similar a cómo se ensambla un nuevo tipo de dispositivo electrónico a partir de transistores y unidades de procesamiento preexistentes”.

¿Podrían generarse enzimas, como los anticuerpos, a partir de fragmentos modulares diseñados en laboratorio que se combinen en estructuras más grandes?

“Si logramos aumentar la actividad de estas enzimas, podrían usarse para descomponer compuestos vegetales como el xilano y la celulosa en azúcares, lo que a su vez puede ayudar a generar biocombustibles”, dice Lipsh-Sokolik. “En lugar de desechar los desechos agrícolas, por ejemplo, deberíamos poder convertirlos en una fuente de energía”.

Lipsh-Sokolik desarrolló un algoritmo que utiliza cálculos de diseño de proteínas basados en la física junto con un nuevo modelo de aprendizaje automático. El algoritmo descompuso cada una de las diferentes variantes de secuencias de enzimas que rompen xilano en varios fragmentos y luego introdujo docenas de mutaciones en esas piezas, todo de manera que maximizaba la compatibilidad potencial de los diferentes fragmentos. Luego, ensambló los fragmentos en diferentes combinaciones y seleccionó el millón de secuencias de enzimas codificadas que se consideraron estables.

El siguiente paso para Lipsh-Sokolik y sus colegas fue sintetizar un millón de enzimas reales a partir de estos modelos informáticos y probarlas en el laboratorio. Para su sorpresa, se confirmó que 3.000 estaban activas. “La primera vez que analizamos los resultados experimentales, nos quedamos asombrados”, afirma Fleishman.