La química de oxidación industrial es una piedra angular de la fabricación moderna y representa casi un tercio de todos los procesos industriales químicos. Si bien es esencial para fabricar productos farmacéuticos, tintes y muchos productos químicos especiales, la oxidación industrial generalmente se basa en procesos de alta temperatura y alta presión que involucran agentes oxidantes tóxicos. Esto ha motivado a los científicos a considerar las monooxigenasas del citocromo P450 (P450) como una alternativa convincente. Estos enzimasque se encuentran prácticamente en todos los organismos vivos, catalizan reacciones de oxidación altamente selectivas a temperatura y presión ambiente, y varios ya se utilizan en la fabricación farmacéutica. Por lo tanto, descubrir y caracterizar nuevos P450 es un área de investigación activa en todo el mundo.
Incluso en una de las bacterias más estudiadas en microbiología, bacilo subtilis En la cepa 168, una de sus ocho enzimas P450 (CYP107J1) no se ha caracterizado funcionalmente. La razón principal de esto es que las enzimas P450 no funcionan solas, sino que dependen de proteínas asociadas redox llamadas reductasas que las activan mediante la transferencia de electrones. En B. subtilislos genes que codifican estas proteínas asociadas no están agrupados junto con los genes P450 en el genoma, lo que dificulta la identificación de las proteínas asociadas naturales de CYP107J1. Sin ellos, los científicos tuvieron que depender de socios tomados prestados de otros organismos, lo que provocó una actividad enzimática débil y dificultades para caracterizar CYP107J1.
Para abordar esto, un equipo de investigación dirigido por el profesor Toshiki Furuya del Departamento de Ciencias Biológicas Aplicadas de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), Japón, recurrió a una estrategia que evita por completo el problema del socio redox. En su estudio, publicado en el Volumen 19, Número 5 de Biotecnología microbiana El 4 de mayo de 2026, caracterizaron CYP107J1 rediseñándolo en una nueva forma que no requiere ningún socio redox. Otros miembros del equipo incluyeron al estudiante de doctorado de segundo año Hideki Kato y al profesor asistente Takafumi Hashimoto, también de TUS. Esta investigación se realizó en colaboración con el equipo del Dr. Stephen Bell de la Universidad de Adelaida.
El equipo confirmó por primera vez que el CYP107J1 natural podía oxidar los ácidos 4-alquilbenzoicos (compuestos que consisten en un anillo de benceno unido a una cadena de carbono) cuando se combina con socios redox sustitutos en Escherichia coli células. Sin embargo, la actividad catalítica medida fue bastante baja. Por lo tanto, los investigadores introdujeron dos cambios de aminoácidos específicos en el sitio activo de la enzima, convirtiéndola en una peroxigenasa impulsada por peróxido de hidrógeno (H2oh2). Las mutaciones se diseñaron racionalmente en lugar de mediante prueba y error, ya que sustituciones equivalentes habían conferido previamente actividad peroxigenasa a una enzima relacionada llamada CYP199A4 en una investigación realizada por el equipo del colaborador Dr. Stephen Bell. Utilizando modelos estructurales, el equipo confirmó que los residuos correspondientes en CYP107J1 estaban ubicados apropiadamente en el sitio activo.
Esta modificación menor condujo a una actividad catalítica 28 veces mayor hacia el ácido 4-hexilbenzoico en comparación con la enzima original con sus socios sustitutos, sin afectar la selectividad en cuanto al lugar del sustrato donde coloca el grupo hidroxilo. Inesperadamente, la enzima diseñada también convirtió el indol en índigo, un tinte azul de importancia comercial. Simplemente mezclando la enzima, el sustrato y el H2oh2el equipo pudo producir índigo a un ritmo que superó el de las peroxigenasas P450 utilizadas para el mismo propósito. “El método utilizado en este estudio simplificó el mecanismo impulsor de la propia reacción P450, haciéndola eficaz no sólo para analizar enzimas con funciones desconocidas sino también para aplicarlas como catalizadores para sintetizar compuestos útiles.”, dice el profesor Furuya.
En particular, el enfoque de ingeniería de dos mutaciones utilizado aquí ofrece una plantilla práctica para desbloquear otros P450 «huérfanos» sin necesidad de identificar primero a sus socios redox naturales. Esto podría ampliar el uso industrial de enzimas P450 diseñadas como biocatalizadores prácticos para la fabricación de productos farmacéuticos, colorantes y otras sustancias químicas valiosas en condiciones de reacción suaves. En última instancia, estos esfuerzos harían de la química de oxidación industrial una actividad más sostenible en general.
El equipo de investigación está trabajando actualmente para mejorar aún más la actividad catalítica de la enzima CYP107J1 modificada. El profesor Furuya también destaca que muchas otras moléculas de este tipo aún deben investigarse cuidadosamente y aprovecharse en aplicaciones prácticas. “Las enzimas de la subfamilia CYP107J están ampliamente distribuidas entre las bacterias del género Bacillus. Los hallazgos de este estudio facilitarán una mayor explotación de su potencial catalítico.” Prof. Furuya concludes.
Fuente: Universidad de Ciencias de Tokio
