Un método de síntesis imita la formación de moléculas en condiciones como las que iniciaron la vida

Investigadores del Instituto de Química Avanzada de Catalunya del CSIC (IQAC-CSIC) con el apoyo del Servei de Ressonància Magnètica Nuclear de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) han desarrollado un método para sintetizar moléculas orgánicas de forma muy selectiva, a partir del ensamblaje de moléculas sencillas y con la intervención de una enzima de E.coli (FSA, D-fructosa-6-fosfato aldolasa), que actúa como biocatalizador. El avance es relevante porque imita la formación de carbohidratos en condiciones como las que presumiblemente iniciaron la vida en la Tierra (condiciones prebióticas) y porque permite obtener moléculas orgánicas relativamente grandes con un nivel de selectividad y efectividad muy alto. Es, además, un proceso de pocos pasos, que no usa disolventes orgánicos ni genera residuos y que presenta un gran potencial en el campo de la química, especialmente en la obtención de moléculas y principios activos de interés (fármacos, suplementos o similares).

Pere Clapés, profesor de investigación del CSIC que ha dirigido la investigación, explica que en la síntesis de moléculas orgánicas no sólo es importante “que tengan la estructura correcta sino su orientación y posición en el espacio, porque eso afecta a su función”. Este, es, de hecho, uno de los principales problemas que afectan la efectividad de compuestos como los fármacos. En el caso de las pentosas y hexosas, se trata de azúcares sencillos (monosacáridos) con cinco y seis átomos de carbono, respectivamente, cruciales para la vida por su función energética, estructural y de comunicación y reconocimiento entre células. En los resultados presentados en la revista Nature Chemistry, los científicos han obtenido pentosas y hexosas ) mediante el ensamblaje de formaldehído y el glicolaldehído, y con una mínima modificación en la secuencia de la enzima FSA.

Una enzima muy maleable

La enzima FSA fue descubierta en el año 2001 y su función fisiológica en E. coli es todavía desconocida. Se cree que es una enzima ancestral, y que es activa frente a una gran variedad de compuestos. Lo sorprendente para los científicos es que se trata de una enzima muy maleable, mucho más que otras. En consecuencia, con tan sólo unas pocas mutaciones genéticas en la enzima se puede modular e incrementar de forma notable su capacidad catalítica. Es esto lo que permite adaptar la enzima de forma precisa para obtener la síntesis de moléculas diversas a voluntad.

El metabolismo de los carbohidratos en los organismos vivos es un proceso complejo, forjado durante millones de años de evolución. Llevar a cabo estos procesos en un matraz, ya sea reuniendo los enzimas involucrados en el proceso o manipulando las rutas metabólicas de organismos vivos no es tarea fácil. Tampoco es sencillo obtener carbohidratos con las metodologías químicas convencionales que requieren varias etapas y el uso de disolventes orgánicos.

El proceso ha sido desarrollado por los científicos del Grupo de Biotransformación y moléculas activas del CSIC, que dirige Pere Clapés, con el apoyo del Servei de Ressonància Magnètica de la UAB. Clapés explica: “queremos demostrar que las herramientas de biocatálisis posibilitan la obtención de moléculas complejas a partir de moléculas más sencillas, que son, al fin y al cabo, los componentes que la naturaleza utiliza”.

“Se trata de un proceso simple, que mimetiza la formación prebiótica de carbohidratos a partir de compuestos probablemente presentes en un mundo anterior al origen de la vida” añade Teodor Parella, de la UAB.
Para los investigadores, la ingeniería de proteínas y concretamente de biocatalizadores ofrece un enorme potencial en un futuro para la síntesis sostenible de moléculas naturales y sus derivados.

Artículo científico:
Anna Szekrenyi, Xavier Garrabou, Teodor Parella, Jesús Joglar, Jordi Bujons & Pere Clapés. Nature Chemistry 7, 724–729 (2015) Asymmetric assembly of aldose carbohydrates from formaldehyde and glycolaldehyde by tandem biocatalytic aldol reactions doi:10.1038/nchem.2321