Cada any s’extreuen milers de tones d’algues brunes del fons del mar per obtenir compostos com ara l’alginat, un polímer compost de sucres amb una alta densitat i resistència que ofereix potencials aplicacions biotecnològiques. Un equip internacional coliderat per la Universitat de Barcelona ha desxifrat el mecanisme pel qual un tipus d’enzims, les anomenades liases d’alginat (AL), són capaços de degradar aquests biomaterials marins, i permeten usar-los com a portadors de fàrmacs, additius o espessidors, entre d’altres. Aquests resultats, publicats a la revista Nature Communications, ajudaran a obtenir i dissenyar nous alginats «a mida» per a aplicacions específiques, especialment en la indústria alimentària i biomèdica.
L’equip de la UB està format pels investigadors de la Facultat de Química i de l’Institut de Química Teòrica i Computacional de la UB (IQTCUB) José Pablo Rivas-Fernández, primer autor de l’article, i Carme Rovira, professora de recerca ICREA, que ha coordinat l’estudi juntament amb Casper Wilkens, biotecnòleg de la Universitat Tècnica de Dinamarca (DTU). També hi han participat experts de la Universitat Noruega de Ciència i Tecnologia (NTNU) i la Universitat Estatal de Carolina del Nord (Estats Units).
Malgrat l’abundància d’alginats en l’entorn marí, el seu ventall d’oportunitats, especialment en el sector biomèdic, està fortament limitat per la manca d’homogeneïtat en la seva composició en estat natural —pot contenir una barreja de sucres de tipus àcid mannurònic i àcid gulurònic en proporció variable—. El coneixement del mecanisme d’acció dels enzims AL quan trenquen específicament els enllaços que connecten els sucres de tipus àcid mannurònic en aquest polímer contribuirà a superar aquestes limitacions. «Els resultats obtinguts estableixen les bases per poder manipular aquests enzims i dissenyar variants amb millors propietats catalítiques i més eficients a gran escala. Mitjançant l’ús de tècniques industrials i bioprocessos, es podrà optimitzar la producció d’alginats a mida en quantitats suficients per satisfer les necessitats de la societat», expliquen els investigadors.
Aquestes troballes permetran, a més, un «millor aprofitament dels recursos naturals i impulsar l’economia verda, en emprar enzims com a eines clau en l’obtenció d’aquests alginats», destaquen els autors.
Anàlisi computacional amb el superordinador MareNostrum 5
Part de l’estudi s’ha basat en l’anàlisi computacional del mecanisme d’acció d’aquests enzims, usant com a punt de partida les estructures tridimensionals de l’enzim AL en interaccció amb diverses variants d’alginats obtingudes pels col·laboradors de la DTU. A partir d’aquesta estructura i utilitzant els recursos del superordinador MareNostrum 5 del Barcelona Supercomputing Center – Centre Nacional de Supercomputació (BSC-CNS), l’equip de la UB ha fet simulacions de dinàmica molecular emprant tècniques multiescala de mecànica quàntica i mecànica molecular per modelar i obtenir una descripció detallada a escala atòmica de la reacció química que té lloc durant la degradació dels alginats.
Aquestes simulacions han permès conciliar discrepàncies científiques prèvies sobre el nombre d’etapes en què s’esdevé la reacció, i confirmen que es dona en una sola etapa i que el polímer es trenca pel centre, i no per un dels extrems. També han aclarit la naturalesa de l’estat de transició —la configuració de més energia durant la reacció— com una mena d’alta càrrega negativa. «Aquesta troballa suggereix que podríem controlar en quin moment es trenca el polímer mitjançant mutacions de determinats aminoàcids del centre actiu de l’enzim», expliquen els investigadors.
Un altre element destacat de la recerca és que els enzims analitzats pertanyen a la família 7 de liases, la més abundant coneguda fins ara, la qual cosa permet extrapolar el mecanisme descrit a altres enzims amb un alt potencial biotecnològic.
Aquestes troballes també faciliten la identificació de residus o aminoàcids clau que poden ser objectius per millorar l’eficiència d’aquests enzims, una línia de recerca molt prometedora en la qual l’equip de la UB ja està treballant.
D’altra banda, els resultats permeten millorar la comprensió de l’evolució química de l’alginat durant la seva degradació, un element fonamental per dissenyar sondes capaces d’identificar i aïllar liases d’alginat, encara no descrites. En aquest sentit, els investigadors de la UB treballen en l’actualitat en el disseny de sondes que permetin identificar de manera eficient nous enzims actius en carbohidrats.
Aquesta recerca s’emmarca en Carbocentre, un projecte finançat amb un ajut Synergy Grants del Consell Europeu de Recerca (ERC). Aquests ajuts es troben entre els més prestigiosos d’Europa, i s’atorguen als equips d’investigadors que treballen junts per afrontar grans reptes científics.