Oscar Gabriel Niño Amézquita

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La Ingeniería enzimática

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”;  

4. Benedito de Barber, Carmen: “Utilización de las enzimas combinadas de acción secundaria en el proceso de panifiación”;  

5. Zaitseva, E. A. y Osipova, T.A.: “Major progress in development of biocatalytic technologies in Russia in the advance of the XXIst century”; VESTNIK MOSKOVSKOGO UNIVERSITETA KHIMIYA, Vol 41, No 6, 2000.  

6. Chen, R: “A general strategy for enzyme engineering”; Tibtech, Vol 17, 1999.  

7. Wilberg, K.Q., Nunes, D.G. y Rubio, J: “Removal of phenol by enzymatic oxidation and flotation”; Brazilian Journal of Chemical Engineering,  Vol 17, No 4-7,  2000.

8. Promesa: “Ciencia imita la evolución en un tubo de ensayo”; Revista de Biotecnología, Abril de 2001, Managua

9. Häring, D., Schreier, P.: “Chemical Engineering of Enzymes: Altered Catalytic Activity, Predictable Selectivity and Exceptional Stability of the Semisynthetic Peroxidase Seleno- Subtilism” Naturwissenschaften, Vol 86, 1999.  

10. Plou, F.J. y Ballesteros, A.: “Stability and stabilization of biocatalysts”; Tibtech, Vol 17, 1999.