La Biocatálisis ha surgido como un área de gran riqueza dentro de la Biotecnología, y ha permitido la aplicación de las enzimas en un amplio número de industrias dedicadas a la fabricación de fármacos y otros compuestos químicos, así como alimentos o biocombustibles.
Este sorprendente desarrollo de la Biocatálisis se debe a nuevas tecnologías como la bioinformática, el cribado de alta resolución, la evolución dirigida, así como otras técnicas arraigadas como la inmovilización de enzimas y la ingeniería de proteínas o del medio de reacción. La fabricación sostenible de productos de consumo es uno de los objetivos principales de la Biocatálisis, y supondrá muchos desafíos y oportunidades en el futuro.
En este artículo, se han revisado algunos de los principales métodos empleados en tecnología enzimática, así como varios ejemplos de aplicaciones de las enzimas en la industria. Finalmente, se indica un breve comentario sobre la situación actual de los grupos de investigación.
Durante siglos el hombre ha utilizado los microorganismos en su beneficio sin saber que las transformaciones obtenidas se debían a la función de determinadas enzimas presentes en los organismos utilizados. Así, antes de que se conocieran las bases bioquímicas de los procesos biocatalizados, la capacidad catalítica de las enzimas presentes en los microorganismos como la levadura Saccharomyces cerevisiae o las bacterias lácticas se han utilizado desde hace siglos en la producción de alimentos como el vino, la cerveza, el queso, el vinagre o el pan.
Aunque el término enzima fue acuñado por primera vez por Küne en 1876, el conocimiento profundo de las enzimas, su estructura, cinética, relación estructura-función, no se ha alcanzado hasta años recientes, cuando la investigación de las enzimas adquiere una nueva fase gracias a los conocimientos aportados de distintas disciplinas como son la química de proteínas, la biofísica y la biología molecular. Esto ha hecho avanzar en el conocimiento del potencial tecnológico de estas biomoléculas. Respecto a la utilización industrial de los biocatalizadores, tiene más de un siglo de historia.
En la actualidad son numerosos los procesos biotecnológicos que se llevan a cabo mediante la utilización de células o de sus enzimas aisladas, siendo un campo con grandes perspectivas de futuro.
El término Biocatálisis se refiere a la utilización de células o sus enzimas aisladas para catalizar reacciones o transformaciones que conducen a la obtención de compuestos de interés, que satisfacen numerosas necesidades humanas. La Biocatálisis se encuentra enmarcada en la denominada Biotecnología Blanca, subsector de la Biotecnología con importantes perspectivas de crecimiento, clave para el desarrollo de la denominada bioeconomía.
La utilización de células o enzimas ha demostrado su eficacia en la síntesis de fármacos, herbicidas, insecticidas y otros productos químicos, en la producción de biocombustibles alternativos al petróleo, o en la industria textil y de detergentes, entre otros muchos ejemplos.. Ello se debe a que representan una alternativa más eficiente y a la vez más ecológica a la química sintética tradicional, ya que los procesos que catalizan transcurren a través de reacciones en medios más respetuosos con el medio ambiente y bajo condiciones de pH y temperatura suaves con mayores rendimientos ya que son procesos regio y estereoselectivos y con menor coste económico.
No es de extrañar que el negocio de las enzimas haya crecido incesantemente en los últimos años, y las expectativas indican que el mercado global se puede situar en cifras superiores a los 4400 millones de dólares en el año 2015.
En general, el escalado industrial de cualquier proceso biocatalizado requiere actualmente de unas etapas previas que incluyen: (1) la selección de la enzima más adecuada, (2) su producción, aislamiento y purificación, (3) su caracterización para determinar las condiciones idóneas para la catálisis enzimática, y finalmente, (4) su inmovilización con el fin de reducir los costes. Todas estas etapas se suelen agrupar bajo el término “ciclo biocatalítico”
Asimismo, como ya se ha indicado, también son numerosos los procesos en los que se utilizan las células completas debido en la mayoría de los casos a la imposibilidad de obtener preparados enzimáticos estables.
Actualmente se calculan que existen 36 empresas biotecnológicas dedicadas a la producción de enzimas que se pueden clasificar en grandes compañías multinacionales productoras de enzimas de bajo coste y gran demanda (destacan la danesa Novozymes, la holandesa DSM y la americana Genzyme), y pequeñas empresas dedicadas a la preparación de cantidades pequeñas de enzimas de elevado coste que se utilizan principalmente con fines analíticos, ingeniería genética o terapia enzimática (por ejemplo, la japonesa Amano, o la británica Biocatalysis Ltd.).
Hasta ahora, los microorganismos han sido la principal fuente de enzimas de aplicación industrial, ya que presentan numerosas ventajas técnicas y económicas en comparación con las enzimas de origen animal o vegetal. Por un lado, los microorganismos son una fuente muy versátil de enzimas, pudiéndose aislar nuevos microorganismos productores mediante cribado o “screening” a partir de distintas fuentes naturales y/o de colecciones tipo (ATCC, DSMZ, CECT, etc.).
Más recientemente, mediante técnicas biotecnológicas como la metagenómica, es posible obtener enzimas nuevas y con capacidades catalíticas novedosas, sobre todo en aquellos casos en los que el microorganismo productor es difícil de crecer in vitro; y gracias a que cada vez es mayor el número de genomas secuenciados, mediante el denominado screening in silico es posible obtener nuevas enzimas no solo de microorganismos sino también de plantas y animales.
Esto unido a que los microorganismos pueden ser modificados mediante ingeniería genética con el fin de producir mayor cantidad de enzima, ha hecho que cada vez sea mayor el número de enzimas disponibles para su aplicación en una gran variedad de campos. La purificación de las enzimas microbianas suele ser fácil, sobre todo si son extracelulares; en contraste con la extracción de enzimas de origen animal o vegetal que resulta más compleja, ya que requiere de etapas previas que incluyen el aislamiento de los tejidos, así como su homogeneización.
A diferencia de las plantas y los animales, la producción de las enzimas microbianas requiere poca superficie, su rendimiento es predecible y no presenta oscilaciones, y su disponibilidad es continuada. Finalmente, los microorganismos tienen velocidades de crecimiento y de producción de enzimas muy altas, por lo que los procesos fermentativos son los más empleados en la producción de enzimas microbianas de uso biotecnológico.
En muchas aplicaciones industriales, las preparaciones enzimáticas suelen estar parcialmente purificadas. No obstante, las enzimas utilizadas en pruebas diagnósticas o enzimas de uso terapéutico, deben tener el máximo grado de pureza (100% puras a homogeneidad, y sin trazas de ácidos nucleicos ni compuestos pirógenos). En cualquier caso, se debe recurrir a los métodos de purificación convencionales como la cromatografía de proteínas, pero a escala industrial. Asimismo, durante los procesos industriales de purificación de enzimas, se suelen utilizar sistemas en continuo: de abrasión para romper células (v.g. Dynomill), de centrifugación para conseguir la separación de sobrenadantes y sedimentos (centrífugas de cestillo, de taza, cilíndricas, tubulares), de ultrafiltración para enriquecer o concentrar, o de diafiltración para dializar.
Finalmente, la enzima purificada se puede vender como producto final en diferentes formatos: (1) liofilizadas, en el caso de enzimas de uso diagnóstico o enzimas terapéuticas, (2) disueltas en presencia de sulfato amónico que actúa como estabilizante; o (3) mezcladas con diferentes aditivos (sales, azúcares, ceras) en el caso de enzimas comercializadas en grandes cantidades, con la fin de facilitar el transporte y evitar reacciones alérgicas durante su manipulación.
Miguel Arroyo, Carmen Acebal, Isabel de la Mata
