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La Ingeniería enzimática |
. |
Oscar Gabriel Niño Amézquita
Resumen
La
ingeniería de enzimas es una realidad. La variedad de aplicaciones para
una enzima es tal que se han desarrollado conocimientos diferentes para
su aprovechamiento. Desde su obtención a partir de fuentes naturales
hasta su diseño minucioso, las técnicas de obtención varían
notablemente, así como sus diversas formas de empleo y la variedad de
procesos en los cuales ofrecen ventajas muy grandes.
Introducción
Las
enzimas, los llamados, catalizadores de la vida, son sustancias de alta
especificidad que permiten que las reacciones biológicas, normalmente
poco probables, se realicen y permitan el continuo movimiento y avance
de las reacciones vitales. Podría decirse que son las moléculas
dadoras de vida, que han permitido la evolución de las especies a lo
largo de los años.
Pese a
estar presentes desde el origen de la vida, su conocimiento se reduce a
tan solo algunos siglos. Uno de los primeros desarrollos de este tipo se
dio hacia la finalización los siglos XVIII. Se descubrió la acción química
de ciertas sustancias en la digestión, así como ciertos extractos
sacarificantes. A finales del siglo XIX Buchner obtuvo una solución
liquida, extraída de levaduras, que cumplía la misma función
fermentativa. Con esto se pudo inferir que un agente químico concreto
realizaba tales cambios dentro de los microorganismos(1)
El nombre
de enzima es de origen griego(en:dentro + zymée: fermento), y su uso es
relativamente reciente, apenas desde la primera mitad del siglo XX(2). Básicamente,
una enzima es una molécula de proteica
cuya estructura le permite ligarse a una clase específica de
compuestos(sustratos) modificarlos, permaneciendo ella con la misma
estructura una vez se ha finalizado la unión con los sustratos. Por
ello, desde el punto de vista estricto, es un catalizador, ya que no se
consume durante la reacción y al final de ella permanece invariable,
tal y como se alimento al inicio.
Las
enzimas cumplen una gran variedad de funciones biológicas. La formación
de proteínas, carbohidratos y lípidos
es un ejemplo. Son a la vez degradados y reconstruidos por otras
reacciones enzimáticas, produciendo energía a una velocidad adecuada
para el organismo, sin el gasto energético que exigen los métodos químicos
de laboratorio. Se dividen en diferentes grupos, mencionados a
continuación(1).
1.
Oxido-reductasas: Sus funciones están básicamente relacionadas
con las reacciones de oxido reducción de los organismos. Se encuentran
muy comúnmente en reacciones metabólicas. Existen dos subgrupos
principales dentro de ellas: Las Deshidrogenasas y las Oxidasas.
2.
Transferasas: Las enzimas de este tipo permiten el cambio de
grupos específicos de una molécula a otra. Su nomenclatura se basa en
el sustrato que emplean y en el aceptor final.
3.
Hidrolasas: Este grupo de enzimas permite romper moléculas de
alto peso molecular, haciéndolas reaccionar con moléculas de agua. Con
este método pueden romper enlaces peptídicos, glicosídicos o estéricos.
La mayoría de enzimas gástricas son de este tipo.
4.
Isomerasas: Realizan modificaciones en una molécula, cambiando su
conformación molecular, ya sea como isómero óptico, funcional o de
otro tipo.
5. Liasas:
Estas moléculas rompen enlaces carbono-carbono, carbono-oxígeno,
carbono-nitrógeno y carbono-azufre.
6.
Ligasas: Permiten la unión de dos moléculas, valiéndose de la
energía obtenida por la degradación de ATP.
Generalmente crean enlaces carbono-carbono, carbono-oxígeno,
carbono-nitrógeno y carbono-azufre.
Con toda
esta gama de posibilidades que ofrecen las enzimas, su uso se ha hecho
frecuente y, por lo tanto, el desarrollo de nuevos procesos que permitan
que la actividad de estas enzimas se optimice. Es por ello que tres
campos importantes se han identificado dentro de la ingeniería de
enzimas: La elaboración, la puesta a punto y el diseño.
La
Elaboración
Uno
de los primeros desarrollos que se iniciaron para las enzimas fue su
obtención y purificación. Se conocían especies cuyas estructuras
permitían que, al estar en contacto con el sustrato, lograsen elaborar
una amplia variedad de productos, beneficiosos y útiles para el hombre.
Con el descubrimiento de Buchner, mencionado anteriormente, se abrió la
puerta para la obtención de nuevas tecnologías. Empleando distintos métodos
de purificación es posible obtener altas concentraciones enzimáticas,
que permiten una mejor comercialización de la enzima para usos
industriales.
La
industria de carnes es la fuente principal de las enzimas derivada del páncreas,
estómago e hígado de los animales. Las enzimas de fuentes microbiológicas
(Bacterias, Hongos y levaduras) se producen en la industria de la
fermentación. (3) Tabla 1 ejemplifica algunas de las fuentes de
enzimas.
Tabla 1:Fuentes de enzimas diversas
|
Enzima |
Fuente |
|
a-amilasa |
Páncreas
bovino-porcino |
|
Lisosima |
Albúmina
de huevo |
|
Fosfolipasa |
Páncreas
porcino |
|
Tripsina |
Páncreas
bovino-porcino |
|
Quimiotripsina |
Páncreas
bovino-porcino |
|
Pepsina |
Mucosa
porcina |
|
Renina |
Bovinos |
|
b-
amilasa |
Grano
de cebada |
|
Peroxidasa |
Raíz
de rábano |
|
Papaina |
Leche
de papaya |
|
Amilasa |
Bacillus
Subtilis,
Aspergillus Níger, Aspergillus
cryzae |
|
Penicilinasa |
Bacillus Subtilis |
|
Invertasa |
S. Cerevisiae, Aspergillus cryzae |
|
Celulasa |
Aspergillus
Níger, Trichoderma sp. |
|
Pectinasa |
Clostridium
sp. |
Básicamente,
para estas industrias los cultivos celulares son la mejor opción en
cuanto a elaboración de enzimas. Una vez estos cultivos celulares se
encuentran maduros, se procede a la “cosecha” de los mismos. Para la
industria de elaboración de enzimas es necesario entonces el desarrollo
de tecnologías y procesos de separación eficientes, que den lugar a
enzimas de alta pureza y que a la vez obtengan mejores rendimientos de
enzima por sustrato empleado.
Para
extraer las enzimas de las células que las contienen, a menudo es
necesario dividir finamente el tejido, por medio de un homogeneizador o
una licuadora; técnicas mas modernas tales como el ultrasonido, auto
lisis y congelamiento- descongelamiento se emplean también. Uno de los
métodos de purificación de enzimas es la cristalización de las
mismas. Primero se cambia el pH, con lo que se retiran algunas proteínas,
o se emplean solventes orgánicos que separen diversas proteínas(1). A
veces se emplean también columnas de cromatografía que permiten la
obtención de distintos sueros, con diferentes concentraciones de
enzimas. Una vez se obtienen estos licores, se cristalizan en repetidas
ocasiones, lo que da como resultado un cristal enzimático de buena
actividad especifica.
La puesta a punto
¿Qué
hacer una vez las enzimas han sido purificadas? Una vez esto ha
ocurrido, éstas se encuentran listas para su comercialización, en la
cual serán empleadas en diversos procesos. Generalmente estos procesos
pueden realizarse por otras vías distintas a la enzimática, pero dadas
las características de las enzimas su eficiencia es alta y sus
condiciones de operación bastante aceptables. Las aplicaciones de las
enzimas son diversas, y, por lo tanto, desarrollos en la ingeniería del
proceso son necesarios para cada uno de los casos particulares. Las
aplicaciones de las enzimas son (3):
ü
Alimentos: Las enzimas se emplean en la industria alimenticia
desde hace mucho tiempo. El cuajo del queso o el empleo de extracto de
papaya son ejemplos. En la actualidad, se emplean frecuentemente en la
industria alimentaria. Ejemplos de ello son la lactasa y el cuajo
(mezcla de hidrolasas para la caseína láctea) en la industria láctea,
las hemicelulasas, fitasas, lipasas, lipoxigenasas, proteasas, lactasas
e isoamilasas en la industria panaria(4), amilasas en las cervecerías,
pectinasas en la elaboración de jugos, amilasas, isoamilasas e
isomerasas en la industria de jarabes glucosados y fructosados,
hidrolasas para degradar rafinosa en la refinación azucarera, glucosa
oxidasas en la degluconización del huevo y papainas y bromelinas en los
ablanda carnes(3).
ü
Detergentes: Los detergentes emplean distintas enzimas,
del grupo de las proteasas y lipasas especialmente, con el fin de
eliminar suciedad de tipo orgánico. Las enzimas son empleadas desde los
años 60 en estos
detergentes, y en la actualidad se emplean en la mayoría de estos
productos.
ü
Tratamiento de residuos: El tratamiento de desechos es uno
de los mejores campos de acción de las enzimas. Existen enzimas capaces
de degradar sustancias altamente tóxicas, y por lo tanto sus
aplicaciones pueden verse en el tratamiento de aguas, tal como la
descomposición de compuestos fenólicos a partir de peroxidasas
obtenidas de la cola de caballo (3 y 7) o de residuos sólidos orgánicos,
con la degradación de celulosa, lignina y otros materiales de alto peso
molecular presentes en gran cantidad en esta fracción de los residuos.
Otras aplicaciones van en la biorremediación, empleándose por ejemplo
en derrames de petróleo, con enzimas capaces de degradas hidrocarburos.
ü
Industria médica y farmacéutica: Las aplicaciones de
enzimas en las industrias médica y farmacéutica es muy grande. Pueden
mencionarse la modificación de la insulina porcina para su consumo
humano, la obtención de antibióticos semisintéticos, la obtención de
aminoácidos N Acetilados y el análisis de compuestos presentes en algún
fluido. También se observan aplicaciones de las enzimas en la síntesis
de esteroides (3).
Las
enzimas, dentro de los procesos, pueden emplearse en medio libre o
inmovilizadas. Cada uno se emplea dependiendo del proceso para el cual
se emplea. En cuanto al sistema inmovilizado, se emplean diversos medios
atrapantes, tales como Vidrio, Sílica gel, Bentonita, Alúmina,
Celulosa, Almidones, Agarosa, Carragenina, Colágeno, Poliacrilamida,
Nylon o Alcohol polivinilico. Dentro de las ventajas que se ofrecen están
la fácil recuperación de las enzimas, lo que permite su reutilización,
la posibilidad de generar procesos continuos y un mejor control de las
enzimas. Ciertas desventajas también se dan, básicamente por la
inhibición de los grupos activos de la enzima dentro del soporte o la
alteración de la estabilidad de la enzima, ocasionada por el mismo
soporte.
Un
ejemplo de usos de las enzimas puede ser el siguiente dado en Rusia en
los últimos años(5): desarrollo de enzimas blanqueadoras y celulolíticas
para la industria papelera, enzimas destructoras de pesticidas,
proteinazas en terapias cardiovasculares.
El Diseño
Los
sistemas enzimáticos pueden modificarse actualmente. En los últimos el
concepto de ingeniería de enzimas (enzyme engineering) es muy común, y
ampliamente utilizado. Consiste básicamente en la modificación de
enzimas, acrecentando sus capacidades catalíticas, modificando sus
estructuras con el fin de hacerlas mas productivas o mas controlables.
Se define como la mutación de proteínas, cuyo fin es esencialmente
modificar la actividad de la enzima, su pH óptimo o su estabilidad (6).
Con este fin, se cambian secuencias de la enzima, pasando desde un solo
aminoácido hasta una secuencia completa.
El
diseño específico de enzimas abre nuevas es infinitas posibilidades.
Permitiría fácilmente obtener enzimas que virtualmente sean capaces de
realizar cualquier tipo de proceso que se realice por vía química.
Podrían perfectamente crearse sistemas enzimáticos capaces de degradar
polímeros cuya estructura no permitía anteriormente su degradación.
Variados
desarrollos se han dado con el diseño específico de enzimas, y entre
ellos pueden mencionarse los siguientes:
-
Desarrollo de enzimas capaces de degradar sulfuros en los combustibles fósiles a mayor velocidad. (8)
-
Enzimas semisintéticas con mejores propiedades que sus “madres”, empleando modificaciones meramente químicas, tales como cambios en los centros catalíticos. (9)
-
Desarrollo de Enzimas termoestables, especialmente amilasas, aunque también otras como glucanasas y oxidasas (10)
Un nuevo futuro
La
ingeniería de enzimas ha ampliado sus limites, pasando de la mera
separación de las mismas a partir de biomasa hasta el diseño cuidadoso
y minucioso de enzimas con propiedades muy diversas, ya sea por métodos
de mutagénesis o diseños milimétricos. En el futuro, será posible
obtener enzimas cuyas características permitan el reemplazo de procesos
químicos convencionales por procesos biotecnológicos, con enzimas
adaptadas para resistir altas temperaturas, niveles de acidez o
basicidad altos o incluso sistemas no acuosos que, en la actualidad,
inactiva completamente la enzima.
Referencias
1. Ludeña, Marco: “La enzimología” 1999.
2.
Posse,
Pablo: “Enzimas, clave de la salud, llave de la juventud”;
3. Arias, E. Y Lastra, J: “Tecnología enzimática”;
6.
Chen,
R: “A general strategy for enzyme engineering”; Tibtech, Vol 17,
1999.
8. Promesa:
“Ciencia imita la evolución en un tubo de ensayo”; Revista de
Biotecnología, Abril de 2001, Managua
10.
Plou,
F.J. y Ballesteros, A.: “Stability and stabilization of
biocatalysts”; Tibtech, Vol 17, 1999.
COMENTARIOS DE LECTORES (Jueves|27|Noviembre|2008|21:53:54)=Gracias! por vuestra información, me gustaria si es posible mas datos sobre la obtención de pepsina ya que justamente estoy realizando experimentos para eso; sobre todo en las columas cromatográfica y menciona y el PH adecuado.Deseo desde ya intercambiar opniones del tema. Des ya muy agradecido y a la espera de vuestro contacto. Pedro Silva email del comentarista=silvalpedro@hotmail.com