Siempre es bueno comenzar con una pregunta, que en este caso podría ser: ¿qué tienen en común algunos endulzantes (aspartame, jarabe de maíz de alta fructosa), la acrilamida, ciertos herbicidas, el biodiesel y fármacos con usos terapéuticos tan diversos como la atorvastatina (hipolipemiante), sitagliptina (antidiabético), sacubitrilo (antihipertensivo), duloxetina (antidepresivo) y diclofenac (antiinflamatorio)? Como la lista podría seguir hasta el final del artículo, preferimos dejarles algunos ejemplos para pensar la respuesta…

Fig. 1. (spoiler alert) Ejemplos de moléculas cuya síntesis industrial involucra al menos una transformación química llevada a cabo con enzimas.

¿Entonces?... los conocedores de nuestras disciplinas seguramente responderían “Son moléculas orgánicas complejas”, alguno que otro añadiría “muchas de ellas son moléculas quirales” e, incluso, se podría escuchar como respuesta válida “contienen muchos átomos diferentes al carbono”. Sin embargo, solo quién esté involucrado en su producción tendrá la respuesta que buscamos en este artículo. Siguiendo nuestro diálogo imaginario, este sujeto podría acotar algo así como “dado que todo lo anterior es cierto, es decir son moléculas con muchos átomos de carbono —más otros como oxígeno, nitrógeno o cloro— y además están enlazados entre sí y orientados de forma muy específica, su síntesis no es sencilla… involucra varias reacciones químicas que pueden requerir condiciones de elevada temperatura y presión, ser peligrosas o necesitar catalizadores (entre ellos metales tóxicos). Muchos de estos pasos, a su vez, tienen baja eficiencia y producen muchos descartes contaminantes”, en resumen, que son costosos y difíciles de producir mediante los métodos químicos clásicos. Por eso, añade nuestro experto “sus métodos de producción modernos involucran al menos en una de sus etapas el uso de enzimas”

Dejando los testimonios imaginarios de lado, la industria química convencional en sus múltiples ramas ha dominado —y aún lo hace— el escenario productivo de la mayoría de los compuestos químicos que utilizamos y consumimos en la vida diaria. Sin embargo, desde hace más dos décadas, las enzimas empezaron a cobrar relevancia como herramientas en la síntesis de moléculas para la industria alimentaria, química, textil, agroquímica y farmacéutica (medicinal y cosmética), entre otras, junto a aplicaciones como la biodegradación de contaminantes. Tanto es así que en 2018 el mercado global de enzimas se estimó en 7 mil millones de dólares y se espera que para el 2024 crezca hasta los 10 mil millones de dólares.

Este cambio en la forma de producir químicos de lo más variados comenzó sustituyéndose pasos de síntesis química muy desfavorables —ya sea por su bajo rendimiento, escasa selectividad, alto costo, etcétera— por enzimas que pudieran superar estas limitaciones y, por ende, mejorar los parámetros de productividad, económicos y ambientales de los procesos. Más recientemente, como consecuencia de la acumulación de conocimiento en la utilización de enzimas en procesos productivos, su aplicación se expandió de los procesos rediseñados al desarrollo de nuevas rutas de síntesis que involucran desde su planificación enzimas, tanto para productos nuevos como ya conocidos.

Subrepticiamente, hemos presentado en los párrafos anteriores lo que se conoce dentro del campo de la biotecnología como biocatálisis, que en palabras más formales podríamos definir como el uso de una o más enzimas como catalizadores —es decir, aceleradores— de reacciones químicas mediante las cuales se genera el producto deseado a partir de una molécula preformada denominada precursor. Llegado este punto de definiciones, aprovecharemos para diferenciar la biocatálisis de los procesos fermentativos, a través de los cuales también muchas moléculas son producidas. En estos últimos, células de (micro)organismos —modificadas genéticamente o no— sintetizan el producto de interés por medio de sus rutas metabólicas a partir de su crecimiento en el medio de cultivo.

A diferencia de la biocatálisis no se le proporciona la molécula preformada que se quiere transformar, sino que es el propio crecimiento celular el que genera la molécula de interés. A partir de esta metodología, se producen aminoácidos, precursores de antibióticos, e incluso proteínas recombinantes como anticuerpos o las enzimas que posteriormente se utilizarán en procesos biocatalíticos. Por supuesto que además la fermentación está involucrada en la obtención de muchísimos alimentos… ¡pero ese es otro capítulo!

¿Y entonces cómo se producen los compuestos que se comercializan? Utilizando la estrategia que más convenga… por supuesto. Hasta la fecha, la síntesis química clásica es la estrategia más utilizada por las industrias químicas dado que la eficiencia o el costo global de los procesos ya establecidos desalientan alternativas enzimáticas a pesar de sus ventajas, mientras que la fermentación es la opción preferida cuando el producto buscado es consecuencia del metabolismo del organismo utilizado. Estas dos estrategias, a su vez, pueden combinarse con reacciones catalizadas por enzimas. La conjugación de síntesis química clásica y biocatálisis se denomina síntesis quimioenzimática, y mediante esta estrategia se obtienen las moléculas de la figura 1 y muchas otras. De igual forma, mediante fermentación —durante la cual se forma el precursor— y posterior transformación biocatalítica se sintetizan por ejemplo antibióticos β-lactámicos, como penicilinas y cefalosporinas.

A esta altura ya deberían estar convencidos que las enzimas, además de su rol natural en las células de los organismos, son catalizadores útiles para la industria. Pero en sí, ¿qué las hace tan convenientes para ciertas reacciones químicas? Echemos un vistazo a sus características.

Fig. 2. Características de las enzimas como biocatalizadores en la producción de productos químicos

¡Esas sí que son muchas ventajas! Abordemos algunas. En primer lugar, las enzimas se destacan por su elevada especificidad en cuanto a los sustratos que reconocen y las transformaciones que producen en ellos. En general, una enzima acepta un sustrato único —o a lo sumo una serie de compuestos de estructura muy similar— del que resulta un producto único en lugar de una mezcla como ocurre con frecuencia en las reacciones químicas. La química tan específica y compleja que pueden llevar a cabo las enzimas, a su vez, suele ahorrar muchos pasos de síntesis clásica, como protección y desprotección de grupos funcionales, reactivos, solventes y etapas de purificación intermedia.

Sin embargo, analizando la especificidad desde otro ángulo, esta puede resultar un inconveniente… ¿Y si no existe una enzima que reconozca el sustrato de interés o no genere el producto necesario? Para ello hay que contemplar la diversidad biológica existente en el mundo. Si tenemos en cuenta que los humanos tenemos aproximadamente 5500 enzimas y una bacteria como Escherichia coli más de 600, y consideramos todos los organismos del universo, podríamos pensar que en algún lado hay un organismo que contenga una enzima que pueda ser útil para la reacción que deseamos realizar, ya que como dijo la premio Nobel Frances Arnold “la naturaleza es el mejor químico que conozco” (cómo las encontramos y las hacemos funcionar, también es otro capítulo).

Y si no la encontramos, a no desesperar, porque existen técnicas de biología molecular que pueden ayudar muchísimo a lograr que las enzimas se ajusten a lo que requerimos de ellas, tanto en especificidad como en estabilidad y actividad. Y esto de los “ajustes”, también cuenta para la estabilidad y la actividad enzimática, dos parámetros importantísimos a la hora de trabajar con enzimas y que son puntos clave de los procesos que las utilizan. Pensémoslo así: las enzimas evolucionaron en los organismos a lo largo de millones de años para realizar las transformaciones específicas que tan bien nos vienen, pero, y es un gran pero, generalmente en un ambiente celular con condiciones específicas y bajo estrecha regulación por otros componentes celulares que distan bastante de ser las condiciones existentes y requeridas en los procesos industriales. Tanto es así que las condiciones operativas en la industria suelen ser perjudiciales para su estabilidad. Debido a ello, se han desarrollado técnicas como la inmovilización en diferentes soportes que logran que estas proteínas catalizadoras sean estables durante el proceso y además se puedan reutilizar, lo cual asegura la rentabilidad del proceso.

 En este punto, cabe aclarar que la obtención de enzimas es más costosa que la mayoría de los productos químicos por lo que su utilización será viable cuando logren —además de simplificar los procesos— generar un ahorro económico. En este sentido, la producción de elevadas cantidades de enzima mediante organismos recombinantes, su reutilización y una elevada actividad enzimática que proporcione buenos rendimientos del químico deseado son condiciones que favorecen su implementación en la industria.

Por último, muchas de sus características las convierten en una tecnología amigable con el medio ambiente y se enmarcan en los principios de la química verde. Al respecto podemos enunciar que su medio de reacción preferencial es el agua en vez de solventes orgánicos, no requieren condiciones extremas de presión, temperatura ni pH para llevar a cabo las reacciones químicas y, al ser proteínas, son biodegradables.

Por todos estos motivos, la biocatálisis es hoy una tecnología firmemente establecida en los procesos de síntesis orgánica a nivel industrial con proyecciones de crecimiento en el modelo de producción actual, pero más aún en la perspectiva de una (bio)economía de baja o nula emisión de carbono.

 ¡Felicitaciones a las enzimas que se proyectan como las trabajadoras del futuro!

Bioq. Juan Minoia y Dra. Alejandra Cardillo
Laboratorio de procesos biocatalíticos. Cátedra de Biotecnología – Instituto de Nanobiotecnología (UBA-CONICET), Facultad de Farmacia y Bioquímica, Universidad de Buenos Aires.