Enzimas en perlas: una tecnología del KIT para una química más sostenible
Investigadores del KIT desarrollaron perlas de enzimas a medida, almacenables y de tamaño milimétrico, para una biocatálisis industrial flexible. La tecnología ya fue presentada para patente.
Gracias a la biocatálisis con enzimas, hoy es posible sintetizar de manera respetuosa con el medio ambiente una enorme variedad de principios activos farmacéuticos y otras moléculas complejas. Investigadores del Karlsruher Institut für Technologie (KIT) han desarrollado ahora una tecnología que permite ensamblar enzimas en perlas de tamaño milimétrico y aptas para el almacenamiento. Las enzimas no solo actúan como catalizadores, sino que además forman el material de las perlas. En otra variante, las redes de enzimas pueden combinarse con células vivas. El procedimiento fue presentado para patente. Los resultados se publicaron en Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.75120).
En la biocatálisis, las enzimas aceleran las reacciones y pueden utilizarse en lugar de catalizadores químicos, a menudo tóxicos, lo que permite ahorrar materias primas y energía. Para que esta tecnología tenga una aplicación amplia en la industria química, sin embargo, es decisivo poder suministrar los biocatalizadores de forma continua y en grandes cantidades. Además, deben ser almacenables, transportables y fáciles de dosificar. Para cumplir todos estos requisitos, un equipo en torno al profesor Christof Niemeyer, del Instituto de Interfaces Biológicas 1 del KIT, perfeccionó el concepto de los llamados All-Enzyme Hydrogels (AEH, hidrogeles totalmente enzimáticos). En ellos, las enzimas se dotan de módulos de unión molecular adecuados.
«Cuando los componentes complementarios se encuentran, se organizan por sí mismos en redes tridimensionales de proteínas», explica Niemeyer. «Así, las enzimas son al mismo tiempo catalizador y material de construcción de las perlas, una gran ventaja frente a los métodos convencionales. Evitamos el material de soporte inactivo y aumentamos la eficiencia de la reacción química deseada».
Aprovechando estas propiedades, los investigadores fabricaron perlas (en inglés, «beads») manejables en dos pasos. Primero reunieron componentes enzimáticos complementarios en pequeñas gotas de líquido y las fijaron congelándolas rápidamente en nitrógeno líquido. Luego, mediante liofilización, se obtuvieron perlas de proteína porosas, mecánicamente estables y de tamaño definido. Las partículas secas pueden volver a introducirse en un líquido y utilizarse en reacciones biocatalíticas.
Un sistema modular de enzimas y células
Con enzimas y tipos de reacción muy diferentes, el equipo demostró que el procedimiento se puede aplicar de forma versátil. Tanto funciones catalíticas individuales como sistemas de varias enzimas, con o sin sustancias auxiliares adicionales, pudieron organizarse en las perlas. «Según la reacción deseada, se puede adaptar la composición del material», explica Niemeyer. «Es una especie de sistema modular: podemos ensamblar distintos componentes enzimáticos mediante módulos de unión definidos para formar redes catalíticas y luego transformarlas en una forma de partícula fácil de manejar». Los científicos demostraron además el uso de las perlas AEH durante muchas horas en reactores de flujo continuo.
En otros ensayos, el equipo combinó los componentes enzimáticos con células de la bacteria Escherichia coli y produjo perlas híbridas. A diferencia de las enzimas, las células pueden, por ejemplo, aportar energía química o generar productos intermedios. Las perlas híbridas siguieron siendo catalíticamente activas tras más de cuatro semanas de almacenamiento en seco a temperatura ambiente. Incluso después de cinco meses de almacenamiento todavía se pudieron detectar las funciones del sistema célula-enzima. Los investigadores demostraron, además, que es posible recuperar células viables de los materiales, conservando su función genética.
Aplicable a químicos finos o medicamentos
«Con las perlas híbridas unimos dos formas de biocatálisis que normalmente se consideran por separado», afirma Niemeyer. «Podemos combinar enzimas individuales de forma dirigida y, al mismo tiempo, aprovechar las capacidades de células vivas. Así surge un material que une ambos enfoques y es fácil de manejar». Entre las posibles áreas de aplicación se cuentan la fabricación de químicos finos, aromatizantes, componentes de principios activos farmacéuticos y otros productos químicos de alto valor.
Publicaciones originales
Jennifer Kühne, Julian S. Hertel, André Delavault, Judith Felk, Martin Peng, Lara Reuber, Felix Ott, Kim Wanner, Marc F. Münker, Adrian Neukirch, Alexei Kiselev, Kersten S. Rabe, Christof M. Niemeyer: Programmable Carrier-Free All-Enzyme Beads for Modular Continuous-Flow Biocatalysis. Advanced Materials, 2026. DOI: 10.1002/adma.75120
Marius Stoeckle, Kersten S. Rabe, Christof M. Niemeyer: Self-Assembled Hybrid Cell-Enzyme Materials for Gas-Powered Biocatalysis. Advanced Functional Materials, 2026. DOI: 10.1002/adfm.78174
Fuente: comunicado de prensa del KIT «Enzyme in Kügelchen für eine nachhaltigere Chemie» (en alemán). Traducción y adaptación: KIT AlumniClub Chile.