Diseñan moléculas mínimas con capacidad para capturar CO2

Investigadores de la UAB han desarrollado unas nanoenzimas mínimas con capacidad para capturar el dióxido de carbono (CO₂) emitido en procesos industriales y aplicables también en otros procesos de remediación ambiental, a partir de estructuras moleculares artificiales formadas por péptidos de solo siete aminoácidos. Las nuevas moléculas pueden actuar también como metaloenzimas, lo que abre nuevas posibilidades en la investigación en biotecnología. El estudio también hace una nueva aportación sobre el origen de la actividad catalítica en los inicios de la vida.

La investigación, coordinada por Salvador Ventura y con Susanna Navarro como primera autora, ambos investigadores del Instituto de Biotecnología y de Biomedicina y del Departamento de Bioquímica y de Biología Molecular, ha sido publicada en ACS Nano. En el estudio han participado también investigadores del Departamento de Química de la UAB y del Centro de Investigación bioGUNE.

Los investigadores de la UAB crearon en 2018 moléculas muy cortas con capacidad de autoensamblarse, inspirándose en el tipo de ensamblaje natural de las fibras amiloides, y basadas en unas secuencias específicas de las proteínas priónicas. Estos amiloides artificiales tienen actividad catalítica, con ventajas como la modularidad, la flexibilidad, la estabilidad y la reutilización en comparación con las enzimas naturales. Ahora, han descubierto la capacidad que tienen de unirse eficazmente a varios iones metálicos para actuar como elementos capturadores de metales y metaloenzimas.

“Estos péptidos eran particulares, ya que no contenían los aminoácidos típicos, como la histidina, que a menudo se considera esencial para la coordinación de iones metálicos en las enzimas, y que se pensaba que eran imprescindibles para la actividad catalítica. En cambio, estaban enriquecidos con residuos de tirosina, un elemento que, a pesar de ser menos conocido en este contexto, también puede tener la capacidad única de ligarse con iones metálicos si se halla en el contexto estructural adecuado. Esta habilidad de la tirosina es la que hemos explotado para crear los nuestras nanoenzimas”, señala Salvador Ventura.

Los resultados tienen implicaciones en varias áreas. En primer lugar, las nanoenzimas son estables y tienen el potencial de utilizarse en la remediación ambiental, en procesos de tratamiento de aguas o suelos contaminados, por su notable capacidad de secuestrar iones metálicos. En segundo lugar, pueden funcionar como metaloenzimas, capaces de catalizar reacciones en condiciones en que las enzimas actuales, mucho menos estables, no podrían actuar. Esto abre nuevas posibilidades en la investigación en ámbitos como la biotecnología, como la de catalizar reacciones a temperaturas y pHs extremos.

Basándose en las nanoenzimas diseñadas, los investigadores han desarrollado con éxito una variante mínima de la enzima anhidrasa carbónica que puede capturar el CO₂ emitido en procesos industriales y otras fuentes de emisión de gases de efecto invernadero de manera eficiente y con un coste de producción mucho más bajo que la de las enzimas naturales, destacan en el estudio.

Nueva perspectiva sobre las enzimas ancestrales

Para obtener las nuevas nanoenzimas, los investigadores han explorado la idea de que la actividad catalítica en los inicios de la vida podría haber emergido como resultado del autoensamblaje de péptidos cortos y poco complejos en estructuras parecidas a las amiloides, que actuasen como rudimentarias enzimas ancestrales.

“Demostrar que estas molècules tengan acción catalítica sin necesidad de la coordinación convencional basada en la histidina supone un cambio significativo en nuestra comprensión de cómo se pudo originar la actividad catalítica en los inicios de la vida. Ahora sabemos que esta actividad se puede conseguir si los péptidos ancestrales contienen tirosina. Sugerimos, pues, que es muy probable que las enzimas ancestrales basadas en amiloides utilizaran también este segundo aminoácido en sus reacciones químicas”, concluye Salvador Ventura.

Para hacer el estudio, los investigadores han combinado experimentos y simulaciones, usando varias técnicas como la espectrofotometría, la fluorescencia, la microscopia electrónica, la difracción de electrones y la modelización computacional avanzada.

Artículo: Susanna Navarro, Marta Díaz-Caballero, Francesca Peccati, Lorena Roldán-Martín, Mariona Sodupe, and Salvador Ventura. Amyloid Fibrils Formed by Short Prion-Inspired Peptides are Metalloenzymes. ACS Nano 2023 17 (17), 16968-16979. DOI: 10.1021/acsnano.3c04164

ImagenIlustración de la estructura de las nanoenzimas obtenidas en la que se detalla cómo los aminoácidos tirosina (en rojo) coordinan los iones metálicos (naranja).