Un método sostenible para convertir recursos vegetales renovables en materiales defosilizados
Los países se están uniendo en la lucha contra el cambio climático, con el objetivo de reducir drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero para 2030 y llegar a cero en 2050. Un paso importante hacia este objetivo es construir economías basadas en recursos renovables. Los sistemas biológicos reciclan de forma natural las emisiones de gases de efecto invernadero a la vez que generan una serie de sustancias químicas y materiales. La biofabricación aprovecha esta capacidad empleando microorganismos y enzimas para transformar biorrecursos renovables en combustibles, productos químicos de plataforma y alternativas de base biológica a los plásticos. Para 2030, se espera que las biotecnologías que impulsan estas innovaciones produzcan más del 35 % de los productos químicos y materiales que utilizamos a diario. El proyecto BioUPGRADE(se abrirá en una nueva ventana), financiado con fondos europeos, integró la biología computacional, la genómica y las ciencias de los materiales para desarrollar el potencial de la biotecnología en la fabricación sostenible, centrándose en los biocatalizadores (enzimas) que convierten las fibras renovables en productos de alto valor.
Actualizar en vez de romper
«Nuestro objetivo era desarrollar biocatalizadores que transformen los biorrecursos renovables en materiales valiosos en vez de descomponerlos», señala Emma Master, coordinadora del proyecto. «Tradicionalmente, las enzimas utilizadas en el procesamiento de la biomasa están diseñadas para degradar el material vegetal en azúcares, que luego se fermentan para obtener combustibles y productos químicos. Sin embargo, este paradigma de “descomponer primero” es costoso e ineficaz en términos de economía atómica». En cambio, las enzimas avanzadas de BioUPGRADE que adaptan la estructura natural de la biomasa para hacerla apta para una gama más amplia de usos, como materiales de envasado, tintas conductoras para bioelectrónica e hidrogeles para la salud y el cuidado personal. «Este método mejora la eficiencia de los materiales y reduce el impacto ambiental en comparación con los procesos químicos tradicionales», añade Master.
Aprovechar mejor los recursos naturales
Una de las principales actividades de investigación fue el diseño de biocatalizadores capaces de modificar la estructura y las propiedades químicas de materiales naturales como la celulosa, la hemicelulosa y la quitina. Para lograrlo, los investigadores analizaron conjuntos de datos genómicos tanto públicos como internos. Utilizaron técnicas avanzadas, como la comparación de genomas entre especies genómica comparativa(se abrirá en una nueva ventana), la reconstrucción de secuencias enzimáticas antiguas resurrección de secuencias ancestrales(se abrirá en una nueva ventana) y la realización de simulaciones moleculares, para comprender cómo funcionan estas enzimas. Un resultado clave fue un marco computacional que diseña proteínas multifuncionales a medida y ayuda a identificar características biofísicas clave de enzimas que actúan sobre superficies materiales. «El diseño y la aplicación juiciosos de pantallas funcionales orientadas a la aplicación son fundamentales para cualquier marco de desarrollo de biocatalizadores», afirma Master. «Para ello, creamos plataformas a microescala que identifican biocatalizadores capaces de modificar con precisión las propiedades físicas, como la carga superficial, la porosidad y el comportamiento de flujo, así como las características químicas, como la adición de grupos carbonilo o amina, de los polisacáridos estructurales».
Reactivación de enzimas ancestrales para nuevas aplicaciones
Un ejemplo destacado del desarrollo de biocatalizadores es el diseño y ensayo de enzimas ancestrales, como las expansinas, las endoglucanasas y las monooxigenasas líticas de polisacáridos. Estas versiones ancestrales presentaban propiedades únicas no presentes en las enzimas modernas, lo que representa ventajas para las aplicaciones biotecnológicas. También se dedicaron esfuerzos considerables a aumentar la producción de proteínas. Las expansinas microbianas se produjeron en biorreactores de entre 5 y 200 litros, lo que proporcionó material suficiente para los ensayos iniciales de aplicación en el procesamiento de fibra de celulosa. El método exporta la proteína directamente al medio extracelular, lo que permite obtener altos rendimientos sin necesidad de complejos pasos de purificación. La colaboración interdisciplinar de BioUPGRADE dio lugar a tecnologías más específicas, adaptables y predecibles para crear materiales funcionales. A diferencia de los métodos tradicionales que descomponen los materiales vegetales en azúcares, el proyecto utiliza enzimas para modificar selectivamente la biomasa infrautilizada en lugar de convertirla en azúcares, lo que aumenta la eficiencia de los recursos y favorece la reutilización para una bioeconomía más sostenible.