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Enzimas para un mundo más sostenible

#VozBiotech | Nuestra economía depende en gran medida del carbono para la producción de plástico, productos químicos y combustibles. Producimos una enorme cantidad de residuos, contaminando nuestro entorno y agotando las fuentes fósiles no renovables de carbono
 

Lise com nostrum
Lise Olivia, Directora de comunicación de Nostrum
Cambio climático
Biotecnología industrial

Nuestra economía depende en gran medida del carbono para la producción de plástico, productos químicos y combustibles. Producimos una enorme cantidad de residuos, contaminando nuestro entorno y agotando las fuentes fósiles no renovables de carbono. 

El cambio a una economía sostenible depende en parte de que reciclemos nuestros residuos, ya sean plásticos o biomasa, y de encontrar alternativas “verdes” para los procesos industriales. Las enzimas, como biocatalizadores eficientes y degradables, contribuyen una alternativa importante.

Enzimas en procesos industriales

La producción eficiente y escalable de productos químicos es fundamental para las industrias farmacéutica, de materiales, alimentaria y agrícola. Para ello, existe ya una creciente gama de aplicaciones biocatalíticas basadas en enzimas a escala industrial.

Algunas se utilizan en procesos industriales desde hace más de 20 años, como las nitrilasas para la conversión de nitrilos en ácidos carboxílicos. En la industria farmacéutica, el ~90% de los medicamentos más vendidos son aminas o derivados de ellas. Numerosas enzimas, incluyendo transaminasas, lipasas o liasas, se utilizan a diario para su producción específica. Los procesos de glicosilación, usando amilasas, celulasas y pectinasas, constituye otro ejemplo; la producción de fructosa,14 millones de toneladas métricas anuales, por ejemplo, utiliza una glucosa isomerasa. 

Estas enzimas, en su mayoría descubiertas en laboratorios académicos en la ultima década, ya han sido adaptadas y aplicadas a escala.

Enzimas para la degradación del plástico 

La contaminación por plásticos es un problema fundamental: cada año se producen 300 MMT de residuos plásticos, con el 66% de terminando en los vertederos o en el entorno natural.

El poli(tereftalato de etileno) (PET) es el plástico de poliéster más abundante, con casi 70 millones de toneladas fabricadas anualmente para su uso en textiles y envases. El reciclaje del PET con medios mecánicos es problemático, ya que requiere calor o ácidos/bases fuertes, dando lugar a un material de menor calidad. La despolimerización enzimática del plástico podría ser una solución. La PETasa, producida por una bacteria descubierta recientemente en un centro de reciclaje de botellas de PET japonés, ofrece grandes expectativas. Su aplicación a escala industrial, no obstante, no es realista debido a su falta de eficiencia. Para mejorar su rendimiento, se han realizado varios experimentos de evolución directa, mutagénesis racional y, recientemente, aplicado técnicas de inteligencia artificial. Este ultimo estudio, publicado en la revista Nature, ha conseguido mejorar la estabilidad y actividad a temperaturas elevadas. Todos estos avances permiten permiten vislumbrar un futuro esperanzador para la degradación enzimática de PET.  

Otros plásticos, y especialmente los que tienen un enlace C-C como el polipropileno, son mas difíciles de reciclar, requiriendo de un coctel de enzimas capaces de una oxidación y posterior hidrolisis. El descubrimiento de organismos que los degradan parcialmente, ofrece esperanzas. No obstante, hay que seguir trabajando para la bioprospección y caracterización de las enzimas implicadas en dicha degradación. 

Enzimas para la degradación de la biomasa

La biomasa comprende los desechos de la agricultura, la gestión forestal y los flujos de residuos. Se calcula que en 2040, los Estados Unidos producirán alrededor de 1.000 millones de toneladas anuales de biomasa. Esta puede traducirse en biocombustibles, energía eléctrica y productos químicos de origen biológico. El 97% del bioetanol ya proviene, por ejemplo, de la biomasa, utilizando varios procesos enzimáticos. El reto de la biomasa, no obstante, es su composición heterogénea. Un tercio se compone de lignina, un polímero heterogéneo y la fuente renovable más abundante de compuestos aromático. Controlar su degradación en componentes básicos podría ser muy valioso para la producción química. Desgraciadamente, la lignina se sigue tratando de forma generalizada como un producto de desecho, y los procesos ligninolíticos industriales se han centrado hasta hace poco en la eliminación de la lignina y la valorización de la celulosa y la hemicelulosa restantes, en lugar de explotar la propia lignina, que suele quemarse para obtener calor y energía.

Ya se han caracterizado varias enzimas degradadoras de lignina procedentes de hongos (lacasas, peroxidasas); recientemente, algunas bacterias también han mostrado dicha actividad, pero se requiere más trabajo para caracterizar las enzimas implicadas. 

La aplicación industrial de estas enzimas están limitadas por su coste y eficacia de producción. Por el momento, algunas se utilizan en biopulping y biobleaching, alternativas más ecológicas a los procesos clásicos basados en el calor y los productos químicos (especialmente el cloro). Las esperanzas están puestas en las enzimas bacterianas que permiten una mayor expresión y, por tanto, un mayor uso de “ligninasas” en procesos industriales.

En definitiva, las enzimas, como biocatalizadores eficientes, nos ayudan de muchas maneras. El reto consiste en encontrar y desarrollar enzimas que sean más eficientes, rentables y escalables a nivel industrial.  La combinación de bioprospección en entornos extremos, biología molecular, el diseño racional asistido por simulaciones (supercomputación) y la nanotecnología (enzimas inmovilizadas en membranas) proporcionaran sin duda dichos avances.

 

Los autores son:

Lise Olivia Andrieux, Head of Visual Communication at Nostrum Biodiscovery
Joan Coines, Director of Protein Engineering at Nostrum Biodiscovery
Victor Guallar, CSO at Nostrum Biodiscovery