Una de las tareas más importantes del consorcio RevoluZion, concretamente del grupo de Evolución Dirigida de Enzimas del ICP-CSIC, es hacer que éstas sean capaces de soportar las elevadas temperaturas a las que se ven sometidas los plásticos durante su proceso de fabricación (por encima de 120°C). Para superar esta barrera y conseguir la degradación programada de diversos materiales plásticos, debemos diseñar enzimas hipertermoestables embebidas en los plásticos y que se activen tras concluir su ciclo de vida útil.

¿Qué es la termoestabilidad?

La termoestabilidad es una propiedad de las enzimas que les permite mantener su plegamiento y actividad catalítica a elevadas temperaturas. Algunas enzimas naturales muestran tal ventaja adaptativa al residir los microorganismos que las producen en ambientes extremos, como son por ejemplo las fumarolas o fuentes hidrotermales que encontramos en las profundidades del océano.

¿Qué factores influyen en la termoestabilidad de las enzimas?

  • Composición. Las enzimas, como todas las proteínas, están constituidas por polímeros que combinan los 20 aminoácidos naturales en cadenas lineales cuyo plegamiento tridimensional da lugar a moléculas funcionales. Así, la termoestabilidad de una enzima puede variar dependiendo del porcentaje, disposición y tipo de aminoácido en su estructura primaria.
  • Estructura terciaria. Sin embargo, más allá de la estructura primaria de una proteína, la estabilidad conformacional es el resumen de una serie de interacciones a nivel tridimensional (estructura terciaria), tales como puentes de hidrógeno, interacciones de Van der Waals, puentes salinos e interacciones hidrofóbicas que favorecen el empaquetamiento de la proteína, incluso a altas temperaturas. Adicionalmente el establecimiento de puentes disulfuro asociado con cambios de entropía pueden promover una fortificación de la estructura general de la enzima.

Existen numerosas técnicas de ingeniería de proteínas que nos permiten aumentar la termoestabilidad de las enzimas. Concretamente, en RevoluZion estamos utilizando la quimeragénesis guiada por métodos computacionales para diseñar enzimas altamente termoestables y promiscuas para la degradación programada de diferentes tipos de plásticos.

Referencias:

  1. Mateljak, I., Rice, A., Yang, K., Tron, T., & Alcalde, M. (2019). The Generation of Thermostable Fungal Laccase Chimeras by SCHEMA-RASPP Structure-Guided Recombination in Vivo. ACS Synthetic Biology, 8(4), 833–843. https://doi.org/10.1021/acssynbio.8b00509
  2. Jaenicke, R., & Bohm, G. (1998). The stability of proteins in extreme environments. Current Opinion in Structural Biology, 8(6), 738-748. doi: 10.1016/s0959-440x(98)80093-4
  3. Vieille, C., & Zeikus, G. J. (2001). Hyperthermophilic enzymes: sources, uses, and molecular mechanisms for thermostability. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 65(1), 1-43. doi: 10.1128/MMBR.65.1.1-43.2001
  4. Siddiqui, K. S., & Cavicchioli, R. (2006). Cold-adapted enzymes. Annual Review of Biochemistry, 75, 403-433. doi: 10.1146/annurev.biochem.75.103004.142723