Los investigadores quieren convertir la madera, un recurso natural y abundante, en un material útil, y en el centro de esto se encuentra una máquina molecular encontrada en los hongos que descompone materias primas complejas en sus componentes básicos. Un investigador de la Universidad de Kobe y su equipo son ahora los primeros en idear un alimento de prueba para una máquina molecular de hongos que les permite observar de cerca su proceso natural, mejorarlo y llevarlo a un uso industrial.
Los ingenieros bioquímicos buscan convertir la madera, un material abundante y renovable, en bioplásticos, productos químicos médicamente relevantes, aditivos alimentarios o combustibles. Sin embargo, la compleja estructura de la madera ha sido un gran obstáculo para ello. “La madera se compone de diferentes materiales químicamente conectados, como la lignina y la hemicelulosa, que primero deben separarse para que estén disponibles como material de origen”, explica KOH Sangho, bioingeniero de la Universidad de Kobe. En otras palabras, es necesario lijar la madera. Los hongos tienen enzimas, pequeñas máquinas químicas, que son capaces de hacer esto, pero para optimizarlas y adaptarlas para uso industrial, necesitamos entender cómo funcionan, y los investigadores no tenían las enzimas adecuadas ni un “sustrato” para ello. el estudio. su ceremonia. “Como estudiante de posgrado en la Universidad Shinshu, no logré producir un gráfico cinético de reacción enzimática típico de los libros de texto usando un sustrato de prueba de uso común. Pero él respondió que no estaba haciendo nada malo y que mis resultados eran típicos de los intentos de caracterizar este enzima”, explica Koh.
Inspirados por esto, el bioingeniero novato y su equipo crearon un nuevo material que conserva características estructurales clave del sustrato natural de la enzima y al mismo tiempo es lo suficientemente simple como para permitir la modificación química y la simulación computacional. “La clave de nuestra capacidad para crear un sustrato adecuado fue que previamente habíamos encontrado otra enzima que nos permitió crear fragmentos de hemicelulosa muy específicos que no podían producirse de otra manera. Sólo estos fragmentos “También pudimos sintetizar químicamente un sustrato de prueba adecuado “, dice Koh, explicando por qué nadie más había podido caracterizar la enzima.
Los bioingenieros han publicado sus hallazgos en la revista Comunicaciones de investigación bioquímica y biofísica.. Al ser el primer equipo capaz de observar la acción de una enzima aislada en un entorno casi natural, fueron los primeros en determinar la velocidad y la relación de su reacción, para la cual los bioingenieros que trabajan en cualquier enzima son los parámetros necesarios. Koh dice: “Cuando, usando mi sustrato diseñado, obtuve una cinética de reacción similar a la de un libro de texto, me sentí muy feliz. Con esto finalmente pudimos caracterizar la ‘verdadera’ naturaleza de la enzima, y también podemos mejorarla y aplicarla industrialmente. “
Sus simulaciones computacionales mostraron la diferencia entre los esfuerzos anteriores y su enfoque: hasta ahora, los investigadores se habían centrado solo en el punto específico dentro del sustrato donde debía escindirse y, por lo tanto, los sustratos de prueba utilizados consistían principalmente en estructuras de conexión. Sin embargo, el sustrato recién sintetizado de Koh conserva una cola corta de hemicelulosa unida al sitio de reacción, y se descubrió que es a esta cola a la que se une la enzima cuando realiza su función.
Ahora que los investigadores tienen claros los parámetros de rendimiento y el mecanismo de reacción de la enzima, quieren encontrar mejores alternativas en diferentes hongos e intentar alterar químicamente la molécula para ver si funciona. Además, los investigadores creen que su sustrato de prueba también desempeñará un papel en el estudio de cómo esta enzima trabaja con otras para separar diferentes componentes de la madera. “Creemos que este fue un paso importante hacia la aplicación industrial de este proceso para producir sustancias químicas útiles a partir de recursos naturales”, concluye Koh.
Esta investigación fue financiada por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (Subvenciones 23K13870 y 17K07874) y la Fundación de Investigación Sugiyama Sangyou Kagaku. Esto se hizo en colaboración con investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de la Universidad Shinshu, la Universidad de Kobe y la Universidad Shinshu.