Producir sustancias químicas respetando el medio ambiente y ahorrando energía: más rendimiento gracias a los nanoporos

Un nuevo proceso de membrana aumenta la eficacia de las enzimas: mejora notablemente la velocidad de reacción

22.04.2024

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Los reactores de flujo continuo repletos de enzimas pueden producir determinadas sustancias químicas de forma suave y cuidadosa. Sin embargo, su rendimiento ha sido hasta ahora limitado. Ahora, un equipo de investigadores del Helmholtz-Zentrum Hereon y la Universidad RWTH de Aquisgrán ha conseguido multiplicar por mil el rendimiento. Utilizando una nanomembrana hecha a medida, han conseguido que las moléculas a convertir entren en contacto mucho más estrecho con las enzimas, aumentando así drásticamente la velocidad de reacción. El nuevo proceso podría utilizarse, entre otras cosas, para la producción sostenible de fosfato. El grupo de trabajo presenta sus resultados en la revista Nature Communications.

Las enzimas son biocatalizadores que pueden utilizarse para producir sustancias químicas de forma respetuosa con el medio ambiente y ahorrando energía. Sin embargo, el proceso no siempre facilita su uso eficiente. Uno de los conceptos son los reactores de flujo continuo. Consisten en pequeños canales a cuyas paredes se adhieren las enzimas. Cuando una solución fluye por estos canales, las moléculas contenidas en la solución pueden acoplarse a los biocatalizadores para reaccionar con su ayuda y formar el producto deseado.

Hasta ahora, estos reactores no han funcionado de forma óptima, ya que suelen tener canales de tamaño milimétrico; las enzimas, en cambio, son de tamaño nanométrico. Como resultado, muchas de las moléculas que fluyen a través de ellos ni siquiera entran en contacto con los biocatalizadores y, por tanto, no tienen oportunidad de producir una reacción química.

Amortiguador para enzimas

Para resolver este problema, el grupo de trabajo utilizó una membrana especial desarrollada en el Helmholtz-Zentrum Hereon de Geesthacht. "Esta membrana se crea mediante el autoensamblaje de los llamados copolímeros en bloque", explica el Dr. Volker Abetz, director del Instituto Hereon de Investigación de Membranas y catedrático de Química Física de la Universidad de Hamburgo. "Su superficie tiene una alta densidad de poros cilíndricos de igual tamaño". Estos son diminutos, con un diámetro de apenas 50 nanómetros. Debajo de la superficie hay una estructura porosa más abierta hecha del mismo copolímero en bloque.

Los científicos utilizaron una molécula auxiliar especialmente diseñada -una especie de péptido adhesivo- para recubrir las paredes de estos poros con enzimas. "Se une a la pared del poro por un lado y a la enzima por el otro", explica el Dr. Ulrich Schwaneberg, catedrático de Biotecnología de la Universidad RWTH de Aquisgrán y miembro de la dirección científica del Instituto Leibniz de Materiales Interactivos. "El péptido actúa como una especie de amortiguador que mantiene la enzima a cierta distancia de la pared del poro en todo momento". El equipo utilizó una enzima llamada fitasa para su prototipo. Provoca la descomposición del fitato, un compuesto que contiene fósforo y se encuentra, entre otras cosas, en los cereales. En la práctica, la enzima fitasa se añade a los piensos, por ejemplo. Así se favorece la liberación de fosfato biogénico, que puede utilizarse como fertilizante sostenible.

Prueba de resistencia con éxito

"El prototipo de nuestro reactor de flujo tiene un diseño relativamente sencillo", explica el Dr. Zhenzhen Zhang, investigador de Hereon. "La membrana tiene aproximadamente el tamaño de una hoja de papel, además de un sistema que permite que la solución de fitato fluya a través de la membrana". El resultado: gracias a los estrechos poros densamente rellenos de enzimas, se pudieron convertir en fosfato unas mil veces más moléculas de fitato que en los anteriores reactores de flujo continuo, un rendimiento notable. También resultó útil que los poros de la membrana estuvieran cargados eléctricamente de forma positiva y las moléculas de fitato de forma negativa. Las fuerzas de atracción resultantes también ayudaron a poner las moléculas en contacto con las enzimas.

"Probamos la membrana durante 30 días y apenas perdió eficacia", afirma Zhang. "Sin duda debería ser posible ampliar nuestro reactor a escala industrial". Como el proceso Hereon también puede utilizarse para producir membranas con poros más pequeños o más grandes, también debería ser posible equipar el reactor con otras enzimas que puedan acelerar otras reacciones químicas. Sin embargo, aún quedan cuestiones por aclarar, por ejemplo: "Aún no hemos comprendido en detalle cómo se forman las estructuras de las membranas", explica Abetz. "Si lo conseguimos, esperamos poder producir los poros cilíndricos de la membrana de una forma mucho más selectiva que hasta ahora".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Publicación original

Zhenzhen Zhang, Liang Gao, Alexander Boes, Barbara Bajer, Johanna Stotz, Lina Apitius, Felix Jakob, Erik S. Schneider, Evgeni Sperling, Martin Held, Thomas Emmler, Ulrich Schwaneberg, Volker Abetz; "An enzymatic continuous-flow reactor based on a pore-size matching nano- and isoporous block copolymer membrane"; Nature Communications, Volume 15, 2024-4-17

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