Una nueva familia de enzimas ha sido diseñada para realizar uno de los pasos más importantes en la conversión de residuos de plantas en productos sostenibles y de alto valor como el nylon, los plásticos y los productos químicos.

El descubrimiento fue liderado por los miembros del mismo equipo de ingeniería de enzimas del Reino Unido y los Estados Unidos que el año pasado diseñaron y mejoraron una enzima que digiere el plástico. Esto podría ser un avance en el campo del reciclaje de los desechos plásticos.

El estudio, publicado en la revista Proceedings de la Academia Nacional de Ciencias, fue dirigido por el Profesor Jen Dubois de la Universidad Estatal de Montana, el Dr. Gregg Beckham en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos, el Profesor Ken Houk en la Universidad de California, Los Ángeles, junto al equipo del profesor John McGeehan en la Universidad de Portsmouth.

La enzima tiene actividad sobre la lignina, uno de los principales componentes de las plantas sobre el cual los científicos han intentado encontrar durante décadas una manera eficiente de descomponerla.

El Profesor McGeehan, Director del Centro de Innovación Enzimática en la Escuela de Ciencias Biológicas de Portsmouth, dijo: «Este es nuestro objetivo: descubrir las enzimas de la naturaleza, llevarlas a nuestros laboratorios para entender cómo funcionan y luego diseñarlas para producir nuevas herramientas para la industria de la biotecnología. En este caso, hemos tomado una enzima natural y hemos logrado, mediante la ingeniería, que realice una reacción clave en la descomposición de uno de los polímeros más resistentes de las plantas.

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«Para proteger la celulosa, donde se almacena el azúcar, las plantas han desarrollado un material fascinantemente y complejo llamado lignina, al que solo una pequeña selección de hongos y bacterias pueden descomponer. Sin embargo, la lignina representa una gran fuente potencial de químicos sostenibles, por lo que si podemos encontrar una manera de extraer y usar esos bloques de construcción, podemos crear grandes cosas».

Engineering enzymes to turn plant waste into sustainable products
El profesor McGeehan es el Director del Centro de Innovación Enzimática en la Escuela de Ciencias Biológicas de Portsmouth

La lignina actúa como andamiaje en las plantas y es fundamental para el suministro de agua. Proporciona fuerza y ​​también defensa contra patógenos.

«Es un material asombroso», dijo el profesor McGeehan, «la celulosa y la lignina se encuentran entre los biopolímeros más abundantes en la tierra. El éxito de las plantas se debe en gran parte, a la mezcla inteligente de estos polímeros para crear lignocelulosa, un material difícil de digerir».

Las enzimas actuales tienden a funcionar solo en uno de los componentes básicos de la lignina, haciendo que el proceso de descomposición sea ineficiente. Usando técnicas avanzadas estructurales en 3-D y bioquímicas, el equipo ha podido alterar la forma de la enzima para acomodar múltiples bloques de construcción. Los resultados proporcionan una ruta para fabricar nuevos materiales y productos químicos como el nylon, los bioplásticos e incluso la fibra de carbono, a partir de lo que ha sido considerado un producto residual.

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El descubrimiento también ofrece beneficios ambientales adicionales: la creación de productos a partir de lignina reduce nuestra dependencia del petróleo para fabricar productos cotidianos y ofrece una alternativa atractiva a la quema, ayudando a reducir las emisiones de CO2.

El equipo de investigación estuvo formado por un equipo internacional de expertos en biología estructural, bioquímica, química cuántica y biología sintética de las Universidades de Portsmouth, Montana State, Georgia, Kentucky y California, y dos laboratorios nacionales de EEUU.

Dan Hinchen, un estudiante de posgrado de la Universidad de Portsmouth, dijo: «Utilizamos una cristalografía de rayos X en el sincrotrón Diamond Light Source para resolver diez estructuras de enzimas con bloques de construcción de lignina. Esto nos dio el plan para diseñar una enzima para trabajar nuevas moléculas. Nuestros colegas pudieron luego transferir el código de ADN de esta nueva enzima a una cepa industrial de bacterias, extendiendo su capacidad para realizar múltiples reacciones».

El profesor McGeehan dijo: «Ahora tenemos una prueba que indica que en principio, podemos diseñar con éxito esta clase de enzimas para abordar algunas de las moléculas basadas en lignina más desafiantes y continuaremos desarrollando herramientas biológicas que puedan convertir los desechos en materiales valiosos y sostenibles».