Cómo el diseño de enzimas revolucionará los procesos industriales ecológicos

*Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Las enzimas tienen el potencial de transformar la industria química al ofrecer alternativas ecológicas a una serie de procesos. Estas proteínas actúan como catalizadores biológicos y, con la ayuda de la ingeniería molecular, pueden hacer que las reacciones que ocurren naturalmente pasen a modo turbo.

Las enzimas hechas a medida podrían, por ejemplo, conducir a la fabricación de medicamentos no contaminantes; también podrían descomponer de manera segura contaminantes, aguas residuales y desechos agrícolas, y luego convertirlos en biocombustible o alimento para animales.

Un nuevo estudio del Instituto Weizmann de Ciencias, publicado en 2022 en la revista Science, acerca esta visión a la realidad. En su informe, los investigadores, encabezados por el profesor Sarel Fleishman del Departamento de Ciencias Biomoleculares, revelan un método computacional para diseñar miles de enzimas activas diferentes con una eficiencia sin precedentes, ensamblándolas a partir de bloques de construcción modulares diseñados.

Los bioquímicos suelen diseñar nuevas enzimas modificando aleatoriamente el ADN de las que ya existen de forma natural y examinando las variantes resultantes para determinar la actividad deseada, un proceso que puede llevar muchísimo tiempo.

El equipo de Fleishman tuvo la idea de generar grandes cantidades de enzimas muy diversas descomponiendo las naturales en fragmentos constituyentes que luego se pueden alterar y recombinar de diversas maneras.

La inspiración para este nuevo enfoque surgió de nuestro sistema inmunológico, que es capaz de producir miles de millones de anticuerpos diferentes (proteínas que, en principio, pueden contrarrestar cualquier microorganismo dañino) a partir de los fragmentos que dicta una cantidad relativamente pequeña de genes.

“Los anticuerpos son la única familia de proteínas en la naturaleza que se conoce que se genera de manera modular”, explica Fleishman. “Su enorme diversidad se logra recombinando fragmentos genéticos preexistentes, de manera similar a cómo se ensambla un nuevo tipo de dispositivo electrónico a partir de transistores y unidades de procesamiento preexistentes”.

¿Podrían generarse enzimas, como los anticuerpos, a partir de fragmentos modulares diseñados en laboratorio que se combinen en estructuras más grandes?

Rosalie Lipsh-Sokolik, estudiante de doctorado que dirigió el estudio en el laboratorio de Fleishman, comenzó a experimentar con una familia de varias docenas de enzimas que descomponen el xilano, un componente común de las paredes celulares de las plantas.

“Si logramos aumentar la actividad de estas enzimas, podrían usarse para descomponer compuestos vegetales como el xilano y la celulosa en azúcares, lo que a su vez puede ayudar a generar biocombustibles”, dice Lipsh-Sokolik. “En lugar de desechar los desechos agrícolas, por ejemplo, deberíamos poder convertirlos en una fuente de energía”.

Lipsh-Sokolik desarrolló un algoritmo que utiliza cálculos de diseño de proteínas basados en la física junto con un nuevo modelo de aprendizaje automático. El algoritmo descompuso cada una de las diferentes variantes de secuencias de enzimas que rompen xilano en varios fragmentos y luego introdujo docenas de mutaciones en esas piezas, todo de manera que maximizaba la compatibilidad potencial de los diferentes fragmentos. Luego, ensambló los fragmentos en diferentes combinaciones y seleccionó el millón de secuencias de enzimas codificadas que se consideraron estables.

El siguiente paso para Lipsh-Sokolik y sus colegas fue sintetizar un millón de enzimas reales a partir de estos modelos informáticos y probarlas en el laboratorio. Para su sorpresa, se confirmó que 3.000 estaban activas. “La primera vez que analizamos los resultados experimentales, nos quedamos asombrados”, afirma Fleishman.

“La tasa de éxito del 0,3 por ciento no es alta, pero la gran cantidad de enzimas activas diferentes que obtuvimos fue asombrosa. En los estudios típicos de diseño e ingeniería de proteínas, se ven tal vez una docena de enzimas activas”.

Armados con un amplio repertorio de enzimas, los investigadores plantearon una pregunta clave que interesa a los investigadores de proteínas: ¿Qué características moleculares distinguen a las enzimas activas de las inactivas?

Lipsh-Sokolik, que utilizó herramientas de aprendizaje automático, examinó alrededor de cien características que caracterizan a las enzimas y utilizó las diez más prometedoras para crear un predictor de actividad. Cuando incorporó este predictor de actividad a su algoritmo y repitió el experimento de diseño con las enzimas que descomponen el xilano, este repertorio de segunda generación tenía hasta 9.000 enzimas que descomponían el xilano y otras 3.000 que podían descomponer la celulosa, lo que sumaba un total de 12.000 enzimas activas.

Esto supuso un aumento de diez veces en la tasa de éxito con respecto al experimento inicial y una hazaña sin precedentes en la historia del diseño de proteínas: el equipo logró, en un solo experimento, diseñar más enzimas potencialmente activas de las que los métodos estándar podrían producir en una década.

No sólo eso, las miles de estas variantes activas eran excepcionalmente diversas en términos de secuencia y estructura, lo que sugiere que pueden realizar una amplia variedad de funciones nuevas.

“Es una muy buena noticia poder crear enzimas con niveles tan altos de actividad utilizando un método completamente automatizado que ahora sabemos que es increíblemente fiable”, afirma Lipsh-Sokolik. Fleishman afirma que el nuevo método de Weizmann, que los científicos llaman CADENZ (abreviatura de Combinatorial Assembly and Design of Enzymes), puede aplicarse, en teoría, a cualquier familia de proteínas.

Su equipo ya está explorando sus aplicaciones para la generación de anticuerpos nuevos y mejorados o la creación de variantes de las proteínas fluorescentes que se utilizan ampliamente como marcadores en biología. “Uno de mis objetivos es cambiar la forma en que se diseñan las enzimas, los anticuerpos y otras proteínas”, afirma Fleishman.

“La ingeniería de proteínas se está convirtiendo en una parte central de la economía y la salud pública: las enzimas industriales son proteínas; los anticuerpos y las vacunas también son proteínas. Necesitamos poder optimizarlas y generar otras nuevas de una manera sólida y confiable”.

En el estudio participaron la Dra. Olga Khersonsky y Shlomo-Yakir Hoch del Departamento de Ciencias Biomoleculares del Instituto Weizmann de Ciencias; los Dres. Sybrin P. Schröder y Casper de Boer y el Prof. Hermen S. Overkleeft de la Universidad de Leiden, Países Bajos; y el Prof. Gideon J. Davies de la Universidad de York, Reino Unido.