Mediante la ingeniería de proteínas, esta investigación ha desarrollado aldolasas más estereoselectivas que permitan catalizar la adición aldólica implicada en la síntesis de análogos de casuarinas. Esta metodología simplifica las etapas de reacción y permite la obtención de compuestos a partir de materiales de partida más simples.
El objetivo principal de este trabajo fue desarrollar una metodología biocatalítica altamente selectiva para la síntesis de análogos de casuarinas, unos compuestos de tipo alcaloide. La clave de la síntesis de estos compuestos es la formación de un enlace carbono-carbono mediante una adición aldólica catalizada por una clase de enzimas denominadas aldolasas. Las aldolasas son enzimas que actúan en el ciclo de la glicólisis y por tanto son especialmente idóneas para la síntesis asimétrica de compuestos polioxigenados. Su enorme potencial sintético estriba en que son capaces de catalizar adiciones aldólicas entre compuestos estructuralmente alejados de las reacciones que se desarrollan en los organismos vivos.
La formación estereoselectiva de enlaces carbono-carbono es una reacción estratégica en síntesis orgánica. En este sentido, metodologías que permitan realizar esta transformación con elevada eficacia y estereoselectividad son de gran importancia tanto en el laboratorio como en la industria. La sociedad demanda a la industria química productos de bajo perfil de toxicidad alternativos a los convencionales con similares propiedades funcionales, manufacturados con procesos respetuosos con el medio ambiente, a partir de materias primas renovables alternativas a las del petróleo. La industria química, por tanto, demanda incorporar nuevas tecnologías de producción para un futuro innovador, competitivo y sostenible y en consecuencia la tecnología enzimática es especialmente adecuada.
Las enzimas son catalizadores biodegradables de origen natural, que permiten llevar a cabo las transformaciones químicas en condiciones suaves con elevada eficacia y selectividad, lo que minimiza el consumo de energía y la generación de subproductos y/o residuos. En nuestro estudio nos centramos en las aldolasas. La utilización de estas enzimas en síntesis orgánica se inició en los años 90. Durante el último decenio se encuentran numerosos trabajos de investigación que demuestran sus enormes potencialidades sintéticas.
De todos modos, aunque la utilización de aldolasas nativas es una alternativa muy prometedora, presenta limitaciones importantes de tolerancia de sustratos estructuralmente distintos del natural. El rediseño del centro activo de aldolasas ya estudiadas y el descubrimiento de otras de fuentes naturales mediante técnicas de cribaje masivo, ha permitido un avance excepcional de esta metodología, juntamente con el conocimiento detallado del proceso de reconocimiento enzima-sustrato y del mecanismo catalítico.
El principal elemento innovador que ofrece nuestra línea de investigación en aldolasas es la selectividad. Gracias a ello, las síntesis que hemos descrito hasta el momento se caracterizan por el ahorro de pasos sintéticos gracias a la eliminación de etapas de protección-desprotección y un curso estereoquímico de la reacción elevada. Además, el rediseño racional del centro activo aplicando técnicas de ingeniería de proteínas, ha demostrado la extraordinaria maleabilidad de las aldolasas, lo que ha permitido hasta el momento tener una colección de más de 150 variantes aplicables a una gran variedad estructural de materiales de partida.
Una de las aplicaciones a nivel de laboratorio es la síntesis de iminociclitoles (deoxinojirimicina, casuarinas, fagomina… y derivados de estas sustancias). Los iminociclitoles son sustancias de origen natural miméticos de azúcares. Algunos de ellos poseen propiedades que modifican la actividad de las enzimas del metabolismo de carbohidratos y oligosacáridos. Los carbohidratos, aparte de su función energética, poseen un papel fundamental en procesos de reconocimiento y señalización molecular, como en infecciones virales, bacterianas, en metástasis, así como en reacciones inflamatorias. Estos procesos están íntimamente relacionados con enfermedades como el cáncer, diabetes tipo II, enfermedades lisosomales raras como la de Gaucher o Fabry, fibrosis cística entre otras. Por tanto, la modulación de la actividad de las enzimas modificadoras de carbohidratos y oligosacáridos es una diana terapéutica interesante y en este sentido los iminociclitoles constituyen potenciales agentes terapéuticos para su tratamiento (P. Compain, O. R. Martin (editores), From Synthesis Iminosugars to Therapeutic Applications, John Wiley & Sons Ltd, Sussex, England, 2007).
Otras aplicaciones a nivel de laboratorio son la síntesis de carbohidratos y sus derivados, como la treosa, desoxixilulosa, ácido siálico y derivados del ácido siálico, ácidos ulosónicos, carbohidratos fosforilados, etc., hasta esfingolípidos y productos más sencillos quirales intermedios polioxigenados, como por ejemplo en la síntesis de estatinas.
En cuanto al sector industrial, los beneficios de esta tecnología son de gran importancia en aspectos tales como al ahorro del consumo energético, seguridad, riesgo ambiental, generación de residuos y calidad del producto final. En este sentido, hemos iniciado un proyecto Europeo del programa Horizonte2020 (acrónimo: Carbazymes) de cuatro años de duración y con una importante dotación económica. En el proyecto participan grupos de investigación y empresas europeas grandes, medianas y pequeñas del sector químico. El objetivo es aplicar toda la experiencia adquirida en aldolasas a demandas industriales concretas. El proyecto H2020 Carbazymes tiene entre sus objetivos la síntesis desde ingredientes activos (APIs) hasta productos industriales de gran volumen.
Cabe destacar la importancia de persistir en la investigación básica para superar limitaciones y dificultades en la implementación de esta metodología. Especialmente grave es el tiempo que normalmente se requiere para que, una vez desarrollada en el laboratorio, se implemente a nivel industrial. Este es un aspecto que se debería considerar por los potenciales actores (empresas o investigadores públicos y privados), aunando esfuerzos en materia de i+d. Si bien es cierto que en los últimos años ha habido importantes avances en el tema, con descubrimientos inéditos en cuanto al mecanismo y la obtención de nuevas variantes de biocatalizadores aplicables en condiciones industriales, en el caso particular de la formación de enlaces carbono-carbono los progresos son todavía incipientes.
El desarrollo de aldolasas en nuestro grupo de investigación nos llevó a la elaboración de una patente mundial y a la creación de una start-up, iniciativa de investigadores del IQAC-CSIC. La patente se encuentra actualmente en explotación por una empresa que adquirió los activos de la start-up inicial.
Pere Clapés
pere.clapes@iqac.csic.es
Departamento de Química Biológica y Modelización Molecular
Institut de Química Avançada de Catalunya – CSIC
Referencia
“Casuarine Stereoisomers from Achiral Substrates: Chemoenzymatic Synthesis and Inhibitory Properties” JOURNAL OF ORGANIC CHEMISTRY. 2014, 11(79): 5386-5389. Lisa-Concia, A.; Gómez, L.; Parella, T.; Joglar, J.; Clapés, P.
