Cada año se extraen miles de toneladas de algas pardas del fondo del mar para obtener compuestos como los alginatos, un polímero compuesto de azúcares que cuenta con una alta densidad y resistencia, ofreciendo potenciales aplicaciones biotecnológicas. Un equipo internacional coliderado por la Universidad de Barcelona (UB) ha descifrado el mecanismo por el que un tipo de enzimas, las llamadas liasas de alginato (AL), son capaces de degradar estos biomateriales marinos, permitiendo su uso como portadores de fármacos, aditivos o espesantes, entre otros. Estos resultados, publicados en la revista
Nature Communications, ayudarán en la obtención y el diseño de nuevos «alginatos a medida» para aplicaciones específicas, especialmente en la industria alimentaria y biomédica.
El equipo de la UB está formado por los investigadores de la Facultad de Química y del Instituto de Química Teórica y Computacional de la UB (IQTCUB) José Pablo Rivas-Fernández, primer autor del artículo, y Carme Rovira, profesora de investigación ICREA, que ha coordinado el estudio junto con Casper Wilkens, biotecnólogo de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU). También han participado expertos de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) y la Universidad Estatal de Carolina del Norte (Estados Unidos).
A pesar de la abundancia de los alginatos en el entorno marino, su abanico de oportunidades, especialmente dentro del sector biomédico, está fuertemente limitado por la falta de homogeneidad en su composición en el estado natural —puede contener una mezcla de azúcares de tipo ácido manurónico y ácido gulurónico en proporción variable—. El conocimiento del mecanismo de acción de las enzimas AL cuando rompen específicamente los enlaces que conectan los azúcares de tipo ácido manurónico en este polímero contribuirá a superar estas limitaciones. «Los resultados obtenidos sientan las bases para poder manipular estas enzimas y diseñar variantes con mejores propiedades catalíticas y una mayor eficiencia a gran escala. Mediante el uso de técnicas industriales y bioprocesos, se podrá optimizar la producción de “alginatos a medida” en cantidades suficientes para satisfacer las necesidades de la sociedad», explican los investigadores.
Estos hallazgos permitirán, además, un «mejor aprovechamiento de los recursos naturales e impulsar la economía verde, al emplear enzimas como herramientas clave en la obtención de estos alginatos», destacan los autores.
Análisis computacional con el superordenador MareNostrum 5
Parte del estudio se ha basado en el análisis computacional del mecanismo de acción de estas enzimas, usando como punto de partida las estructuras tridimensionales de la enzima AL en interacción con diversas variantes de alginatos, obtenidas por los colaboradores de la DTU. A partir de esta estructura y utilizando los recursos del superordenador MareNostrum 5 del Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), el equipo de la UB ha realizado simulaciones de dinámica molecular, empleando técnicas multiescala de mecánica cuántica y mecánica molecular para modelar y obtener una descripción detallada a nivel atómico de la reacción química que tiene lugar durante la degradación de los alginatos.
Estas simulaciones han permitido conciliar discrepancias científicas previas sobre el número de etapas en las que ocurre la reacción, confirmando que sucede en una sola y que el polímero se rompe por el centro, y no por uno de sus extremos. También han esclarecido la naturaleza del estado de transición —la configuración de mayor energía durante la reacción— como una especie de alta carga negativa. «Este hallazgo sugiere que podríamos controlar en qué momento se rompe el polímero mediante mutaciones de determinados aminoácidos del centro activo de la enzima», explican los investigadores.
Otro elemento destacado de la investigación es que las enzimas analizadas pertenecen a la familia 7 de liasas, la más abundante conocida hasta la fecha, lo que permite extrapolar el mecanismo descrito a otras enzimas con alto potencial biotecnológico.
Estos hallazgos también facilitan la identificación de residuos o aminoácidos clave que pueden ser objetivos para mejorar la eficiencia de estas enzimas, una línea de investigación muy prometedora en la que ya está trabajando el equipo de la UB.
Por otro lado, los resultados permiten mejorar la comprensión de la evolución química del alginato durante su degradación, un elemento fundamental para el diseño de sondas capaces de identificar y aislar liasas de alginato, aún no descritas. En este sentido, los investigadores de la UB trabajan en la actualidad en el diseño de sondas que permitan identificar de manera eficiente nuevas enzimas activas en carbohidratos.
Esta investigación se enmarca en Carbocentre, un proyecto financiado con una ayuda Synergy Grants del Consejo Europeo de Investigación (ERC). Estas ayudas se encuentran entre las más prestigiosas de Europa, y se otorgan a los equipos de investigadores que trabajan juntos para afrontar grandes retos científicos.