Un mètode de síntesi imita la formació de molècules en condicions com les que van iniciar la vida

23/09/2015

Investigadors de l'Institut de Química Avançada de Catalunya del CSIC (IQAC-CSIC), amb el suport del Servei de Ressonància Magnètica Nuclear de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), han desenvolupat un mètode per sintetitzar molècules orgàniques de forma molt selectiva, a partir de l'assemblatge de molècules senzilles i amb la intervenció d'un enzim d'E.coli (FSA, D-fructosa-6-fosfat aldolasa), que actua com a biocatalitzador. L'avanç és rellevant perquè imita la formació de carbohidrats en condicions com les que presumiblement van iniciar la vida a la Terra (condicions prebiòtiques) i perquè permet obtenir molècules orgàniques relativament grans amb un nivell de selectivitat i efectivitat molt alt. És, a més, un procés de pocs passos, que no fa servir dissolvents orgànics ni genera residus i que presenta un gran potencial en el camp de la química, especialment en l'obtenció de molècules i principis actius d'interès (fàrmacs, suplements o similars).

Pere Clapés, professor d'investigació del CSIC que ha dirigit la investigació, explica que en la síntesi de molècules orgàniques no sols és important "que tinguin l'estructura correcta sinó la seva orientació i posició en l'espai, perquè això afecta la seva funció". Aquest, és, de fet, un dels principals problemes que afecten l'efectivitat de compostos com els fàrmacs. En el cas de les pentoses i hexoses, es tracta de sucres senzills (monosacàrids) amb cinc i sis àtoms de carboni respectivament, crucials per a la vida per la seva funció energètica, estructural i de comunicació i reconeixement entre cèl·lules. En els resultats presentats a la revista Nature Chemistry, els científics han obtingut pentoses i hexoses) mitjançant l'acoblament de formaldehid i el glicolaldehído, i amb una mínima modificació en la seqüència de l'enzim FSA.

Un enzim molt mal·leable

L'enzim FSA va ser descoberta l'any 2001 i la seva funció fisiològica en E. coli és encara desconeguda. Es creu que és un enzim ancestral, i que és activa enfront d'una gran varietat de compostos. El sorprenent per als científics és que es tracta d'un enzim molt mal·leable, molt més que altres. En conseqüència, amb tan sols unes poques mutacions genètiques en l'enzim es pot modular i incrementar de manera notable la seva capacitat catalítica. És això el que permet adaptar l'enzim de forma precisa per obtenir la síntesi de molècules diverses a voluntat.

El metabolisme dels carbohidrats en els organismes vius és un procés complex, forjat durant milions d'anys d'evolució. Dur a terme aquests processos en un matràs, ja sigui reunint els enzims involucrats en el procés o manipulant les rutes metabòliques d'organismes vius no és tasca fàcil.

Tampoc és senzill obtenir carbohidrats amb les metodologies químiques convencionals que requereixen diverses etapes i l'ús de dissolvents orgànics.

El procés ha estat desenvolupat pels científics del Grup de Biotransformació i molècules actives del CSIC, que dirigeix Pere Clapés, amb el suport del Servei de Ressonància Magnètica de la UAB.

Clapés explica: "volem demostrar que les eines de biocatàlisi possibiliten l'obtenció de molècules complexes a partir de molècules més senzilles, que són, al cap ia la fi, els components que la naturalesa utilitza". I afegeix: "Els organismes vius han forjat durant milions d'anys les estratègies metabòliques per poder obtenir els carbohidrats que necessiten per a la seva supervivència."

"Es tracta d'un procés simple, que mimetitza la formació prebiòtica de carbohidrats a partir de compostos probablement presents en un món anterior a l'origen de la vida" afegeix Teodor Parella, de la UAB.

Per als investigadors, l'enginyeria de proteïnes i concretament de biocatalitzadors ofereix un enorme potencial en un futur per a la síntesi sostenible de molècules naturals i els seus derivats.

Article de referència:
Anna Szekrenyi, Xavier Garrabou, Teodor Parella, Jesús Joglar, Jordi Bujons & Pere Clapés. Nature Chemistry 7, 724–729 (2015) Asymmetric assembly of aldose carbohydrates from formaldehyde and glycolaldehyde by tandem biocatalytic aldol reactions doi:10.1038/nchem.2321