En la jerga científica, se denomina "itinerario catalítico" al conjunto de modificaciones químicas y estructurales que sufre un determinado sustrato por la acción de una enzima hasta ser roto en pedazos y se forma un nuevo producto. Hasta hace poco, se consideraba que el itinerario catalítico era único para cada par de enzima-sustrato. Pero ese paradigma acaba de ser quebrado por investigadores del Laboratorio Nacional de Biorrenovables (LNBR), que integra el Centro Nacional de Investigación en Energía y Materiales (CNPEM, por su sigla en portugués), en Campinas.
Los resultados de la investigación, apoyada por FAPESP, fueron divulgados en la revista Nature Comunications.
Mediante cálculos cuánticos y experimentos con superresolución, los científicos han demostrado que algunas enzimas de gran importancia industrial, como las hidrolasas glicosídicas, pueden funcionar por itinerarios catalíticos alternativos y viables desde el punto de vista termodinámico.
El trabajo revela que estas enzimas que actúan sobre la hemicelulosa (polisacárido presente en la pared celular de las plantas) -y que son esenciales, por tanto, para el procesamiento de residuos agroindustriales- son capaces de escindir enlaces glucosídicos por dos rutas catalíticas, algo inesperado en biocatálisis de carbohidratos. Este descubrimiento abre nuevos horizontes en cuanto al funcionamiento molecular de una clase de enzimas de gran relevancia industrial y tiene impactos inmediatos en el desarrollo teórico del área de la biocatálisis.
“Estos resultados, además de cambiar nuestra comprensión en el campo teórico de la biocatálisis de carbohidratos, aumentan nuestra capacidad de 'diseñar' racionalmente enzimas buscando aplicaciones biotecnológicas”, explica Mario Murakami, director científico de LNBR-CNPEM y coordinador del proyecto.
En la práctica, el estudio permitirá a otros investigadores encontrar formas de rediseñar el sitio activo (región de la enzima responsable de unir y convertir al sustrato en un producto), así como crear moléculas análogas al sustrato capaces de inhibir las acciones de ciertas enzimas.
Esto puede tener aplicaciones que van desde la producción industrial de químicos biorrenovables (obtenidos a partir de plantas) hasta el sector de la salud.
“Piense en un profesional que trabaja con un celular. El investigador identifica una actividad enzimática que debe inhibirse. A partir de los conocimientos adquiridos con el diseño racional, es posible crear este inhibidor personalizado ”, explica Mariana Morais, investigadora del LNBR-CNPEM y autora principal del artículo.
En el estudio, los científicos adoptaron una técnica conocida como cristalografía de rayos X, que consiste en cristalizar proteínas y observar cómo ese cristal difracta la radiación emitida sobre él. Para ello, utilizaron la instrumentación de última generación disponible en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS-CNPEM). En tanto las simulaciones por ordenador basadas en cálculos cuánticos fueron realizadas en la red española de superordenadores y en la Universidad de Barcelona. Los demás experimentos se llevaron a cabo en las instalaciones del LNBR y del Laboratorio Nacional de Biociencias (LNBio). La investigación contó con el apoyo de la FAPESP (15/26982-0, 16/19995-0 y 18/22138-8), del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y de agencias de financiación en Europa.
El artículo “Dos vías catalíticas distintas para las enzimas xilanolíticas GH43 reveladas por rayos X y simulaciones QM/MM” puede leerse en www.nature.com/articles/s41467-020-20620-3.
* Con información de la Asesoría de Comunicación del CNPEM
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Programa InfoSalud (Argentina)