Cuando doy clase de Enzimología, siempre les comento a mis alumnos que las enzimas tienen una estructura tridimensional muy intrincada tan solo para forma una cavidad que forma el sitio catalítico. Todo ese andamiaje estructural es necesario para que las cadenas laterales de ciertos residuos se coloquen en una posición determinada en el espacio y acojan el sustrato que van a convertir en producto. ¿Pero y si pudiésemos aprovechar ese andamiaje para introducir un segundo sitio catalítico? Eso es lo que hemos hecho en el último trabajo que hemos presentado en el laboratorio de Ingeniería Molecular de Enzimas del Instituto de Agroquímica y Tecnología de los Alimentos (CSIC), junto con el Barcelona Supercomputing Center, el Instituto de Química Física Blas Cabrera (CSIC) y el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC) y que hoy os quiero contar por aquí.
La proteína elegida como candidata para introducir un segundo sitio catalítico es una xilanasa con unas propiedades muy particulares, la Xyn11, capaz de funcionar a 90ºC y pH10.5. Las xilanasas son enzimas encargadas de degradar el xilano, el segundo polímero más abundante en la tierra (junto la quitina) y es uno de los componentes de las paredes celulares, formando parte de las hemicelulosas. Sin embargo, el xilano es un polímero difícil de degradar, debido a la complejidad en su estructura, ramificaciones de distinta naturaleza, como enlaces éster, etc. Esta resistencia es un reto para la industria alimentaria, papelera y energética, que busca convertir residuos vegetales en productos útiles como azúcares fermentables o compuestos antioxidantes. ¿La solución? Utilizar cókteles de enzimas capaces de romper esas estructuras. Pero, ¿y si una sola enzima pudiera hacer el trabajo de varias?
En un estudio reciente que hemos publicado en Computational and Structural Biotechnology Journal, hemos diseñado una enzima multifuncional que combina dos actividades clave: xilanasa (que rompe la cadena principal de xilano) y feruloil esterasa (que elimina los grupos ferúlicos que dificultan la actividad de la xilanasas). Esta enzima, llamada Xyn11 m1, fue creada a partir de una xilanasa termofílica natural, a la que se le añadió un segundo sitio activo mediante simulaciones computacionales avanzadas y dinámica molecular desarrollada por el Barcelona Supercomputing Center.
La innovación se basa en el concepto de PluriZyme, que permite insertar nuevos sitios catalíticos en proteínas ya existentes. En este caso, se identificó una cavidad en la superficie de la enzima original que podía albergar el sustrato feruloil-arabinosa. Luego, se rediseñó esa cavidad para formar una tríada catalítica funcional (serina-histidina-glutamato), típica de las esterasas.
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| Representación de los dos sitios cataliticos, el de la izq. el original correspondiente a la Xyn11, a la derecha el nuevo sitio esterasa. |
¿El resultado? Una enzima que no solo mantiene su actividad original, sino que también adquiere la capacidad de liberar ácido ferúlico de materiales como el salvado de trigo. En pruebas de laboratorio, Xyn11 m1 fue capaz de liberar ácido ferúlico cosa que no puede hacer la versión original, de esta manera se consigue demostrar que dentro de una misma estructura proteica existen dos sitios catalíticos y dos actividades enzimáticas distintas, pero útiles en un contexto como es la degradación de las hemicelulosas. Ademas, pese a las modificaciones realizadas, la enzima mantiene las propiedades extremófilas, haciéndola interesante para los procesos industriales más exigentes.
Este trabajo abre la puerta a una nueva generación de enzimas diseñadas a medida para bioconvertir biomasa vegetal, reducir residuos y generar compuestos de alto valor como antioxidantes. En el futuro, se podría aplicar esta estrategia a otras enzimas y materiales, ampliando aún más el potencial de la biotecnología industrial.
Os dejo el enlace original al artículo por si queréis más detalles:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2001037025003630
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