Investigadores del Instituto de BioEnergía (JBEI) y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), descubrieron una enzima, fenilacetato descaboxilasa (PhdB), que permitirá la producción microbiana de una alternativa renovable al tolueno, sustancia derivada del petróleo y muy usada que amplifica el octanaje en la gasolina. Dicho componente tiene un mercado global de 29 millones de toneladas por año.
Los resultados del estudio dirigido por Harry Beller, científico principal de Berkeley Lab y líder científico en JBEI, fueron publicados en la revista Nature Chemical Biology.
Un objetivo principal de investigación en el JBEI, así como en el sector de los biocombustibles en general, es la producción de combustibles comercialmente relevantes a partir de fuentes renovables, como la biomasa lignocelulósica, en lugar del petróleo. Hasta donde saben Beller y sus colegas, la enzima descubierta en este estudio permitirá por vez primera la bioproducción de tolueno con origen biológico, y de hecho, la primera producción de cualquier biocombustible de hidrocarburos aromáticos.
El descubrimiento de la enzima resultó del estudio intensivo de dos comunidades microbianas muy diferentes que producían tolueno. Una comunidad contenía microbios del sedimento del lago y la otra del lodo de aguas residuales. Dado que los microbios en el medio ambiente son un depósito de enzimas que catalizan un conjunto extraordinariamente diverso de reacciones químicas, no es inusual que los científicos que trabajan en biotecnología obtengan enzimas de la naturaleza.
Beller se sintió motivado a investigar el tolueno de base biológica después de leer informes de la literatura de la década de 1980 que revelaron la biosíntesis de tolueno microbiano en sedimentos de lagos anóxicos. A pesar de varios informes de producción de tolueno bacteriano desde ese momento, la identidad de la enzima que cataliza esta reacción bioquímicamente desafiante ha sido un misterio durante décadas.
La enzima que sintetiza tolueno descubierta en este estudio, la fenilacetato descarboxilasa, pertenece a una familia de enzimas conocidas como enzimas radicales de glicol (GRE). Los científicos solo comenzaron a reconocer los GRE en la década de 1980, y la fenilacetato descarboxilasa es solo el octavo tipo de reacción conocido de GRE que se ha descubierto y caracterizado desde entonces. Sin embargo, la evidencia metagenómica presentada en el estudio JBEI y otros apunta al hecho de que existen muchos más GRE en la naturaleza que aún no se han caracterizado.
La naturaleza radical de los GRE les permite catalizar reacciones químicamente desafiantes, como la descarboxilación anaeróbica de fenilacetato para generar tolueno. Más allá de sus posibles aplicaciones biotecnológicas, una serie de GRE conocidos son relevantes para la salud humana y ocurren dentro del microbioma intestinal humano.
El proceso de descubrimiento de enzimas para este proyecto fue desafiante y poco convencional. Los investigadores comenzaron a trabajar con una especie bacteriana informada para producir tolueno, pero cuando esos informes parecían irreproducibles, los científicos recurrieron al medio ambiente para cultivos productores de tolueno, específicamente a las aguas residuales municipales y al sedimento anóxico del lago.
“Todos los proyectos de descubrimiento de enzimas son desafiantes. Pero pasar del descubrimiento en una sola especie bacteriana al descubrimiento en una comunidad microbiana compleja de sedimentos de aguas residuales o lagos, fue más difícil por órdenes de magnitud “, dice Beller.