Investigación de materiales: espumas biocatalíticas con enorme durabilidad y actividad

Investigadores del KIT desarrollan una nueva clase de materiales para procesos de biocatálisis a partir de enzimas

01.08.2023 - Alemania

La biocatálisis industrial con enzimas se considera un factor de cambio en el desarrollo de una industria química sostenible. Con la ayuda de enzimas se puede sintetizar una impresionante gama de moléculas complejas, como agentes farmacéuticos, en condiciones respetuosas con el medio ambiente. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) han desarrollado ahora una nueva clase de materiales mediante la producción de enzimas en forma de espumas de enorme durabilidad y actividad. Ya se ha presentado una solicitud de patente para el novedoso proceso de fabricación de las espumas enzimáticas.

Para seguir desarrollando el campo de la biocatálisis industrial, que se utiliza principalmente en la producción de productos farmacéuticos y químicos especiales, los investigadores trabajan intensamente en nuevas tecnologías de proceso. En la biocatálisis, las enzimas aceleran las reacciones en lugar de los catalizadores químicos, con el consiguiente ahorro de materias primas y energía. El objetivo ahora es proporcionar biocatalizadores enzimáticos de forma continua y en grandes cantidades en las condiciones más suaves posibles. Para realizar transformaciones materiales eficaces, las enzimas se inmovilizan en reactores de flujo microestructurados. Están fijadas espacialmente y unidas a un material de reacción, por lo que su movilidad es limitada, lo que conduce a una mayor concentración de enzimas y, por tanto, a una mayor productividad.

Microgotas espumosas de enzimas autoensambladas

Normalmente, las enzimas cambian su estructura durante la formación de espuma y pierden así su actividad biocatalítica. Sin embargo, las nuevas espumas proteínicas tienen una enorme durabilidad y actividad. La actividad es una medida de la eficacia de la enzima, que garantiza que los materiales de partida reaccionen entre sí lo más rápidamente posible. Para fabricar las espumas proteicas, se mezclan dos enzimas deshidrogenasas que llevan sitios de enlace coincidentes para que puedan formar espontáneamente una red proteica estable. "A continuación, se añade un flujo de gas a esta mezcla en un chip microfluídico para que se formen burbujas microscópicas de tamaño uniforme de forma controlada", explica el proceso el profesor Christof Niemeyer, del Instituto de Interfaces Biológicas-1. La espuma de tamaño uniforme producida de este modo se aplica directamente a chips de plástico y se seca, lo que hace que las proteínas se polimericen y formen una red hexagonal estable.

"Se trata de "espumas enzimáticas completas" monodispersas, es decir, redes tridimensionales porosas compuestas exclusivamente de proteínas biocatalíticamente activas", caracteriza Niemeyer la composición de los nuevos materiales. La estructura de panal hexagonal estable de las espumas tiene un diámetro medio de poro de 160 µm y un grosor de lámina de 8 µm, y se forma a partir de las burbujas esféricas recién producidas de aproximadamente el mismo tamaño al cabo de unos minutos.

Uso eficiente de espumas enzimáticas completas activas y estables

Para utilizar eficazmente las enzimas en la transformación de sustancias, es necesario inmovilizarlas en grandes cantidades en condiciones lo más suaves posible para preservar su actividad. Hasta ahora, las enzimas se inmovilizaban en polímeros o partículas portadoras, pero esto requiere un valioso espacio en el reactor y puede perjudicar la actividad. "En comparación con nuestros "hidrogeles enzimáticos completos" ya desarrollados, los nuevos materiales a base de espuma crean una superficie mucho mayor en la que puede tener lugar la reacción deseada", describe Niemeyer la importante mejora. En contraste con los resultados teóricamente esperados, las nuevas espumas muestran sorprendentemente una durabilidad, resistencia mecánica y actividad catalítica de las enzimas sorprendentemente altas, lo que no se había conseguido hasta ahora en proteínas espumosas.

Los investigadores suponen que la estabilidad se debe a los sitios de unión coincidentes con los que están dotadas las enzimas. Esto les permite unirse entre sí y formar así un entramado altamente reticulado durante el secado, lo que confiere al nuevo material una estabilidad única. "Sorprendentemente, las espumas enzimáticas recién desarrolladas son significativamente más estables tras el secado durante cuatro semanas que las mismas enzimas sin espumas", explica Niemeyer las ventajas, "esto es de gran interés para la comercialización, ya que simplifica enormemente la producción de existencias y el envío."

Los nuevos biomateriales abren vías versátiles para innovaciones en biotecnología industrial, ciencias de los materiales o incluso tecnología alimentaria. Por ejemplo, las espumas proteínicas podrían utilizarse en procesos biotecnológicos para producir compuestos valiosos de forma más eficiente y sostenible. El equipo de investigadores demostró que las espumas pueden utilizarse para producir tagatosa, un azúcar de gran valor industrial que constituye una prometedora alternativa al azúcar refinado como edulcorante.

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Publicación original

Julian S. Hertel, Patrick Bitterwolf, Sandra Kröll, Astrid Winterhalter, Annika J. Weber, Maximilian Grösche, Laurenz B. Walkowsky, Stefan Heißler, Matthias Schwotzer, Christof Wöll, Thomas van de Kamp, Marcus Zuber, Tilo Baumbach, Kersten S. Rabe, Christof M. Niemeyer: "Biocatalytic Foams from Microdroplet-Formulated Self-Assembling Enzymes."; Advanced Materials, 2023.

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