Los científicos encuentran enzimas en la naturaleza que podrían reemplazar las sustancias químicas tóxicas

A unas 900 millas de la costa de Portugal, nueve islas principales se elevan en el Atlántico medio. Verde y volcánico, el archipiélago de las Azores alberga una gran biodiversidad que hace que el científico investigador de campo, Marlon Clark, regrese por más. "Existe una biogeografía realmente interesante", dice Clark. "Existe una separación real entre los continentes, pero existe una dispersión entre islas de plantas, semillas y animales".

Es un paraíso visual desde cualquier punto de vista, pero a nivel microscópico, hay aún más que ver. La roca volcánica rica en nutrientes de las Azores (y su red de lagunas, sistemas de cuevas y manantiales termales) alberga una amplia gama de microorganismos que se encuentran en una variedad de microclimas con diferentes elevaciones y temperaturas.

Clark trabaja para Basecamp Research, una empresa de biotecnología con sede en Londres, y su trabajo consiste en recolectar muestras de ecosistemas de todo el mundo. Al extraer ADN del suelo, agua, plantas, microbios y otros organismos, Basecamp está construyendo una extensa base de datos de las proteínas de la Tierra. Si bien el ADN en sí no es una proteína, la información almacenada en el ADN se utiliza para crear proteínas, por lo que extraer, secuenciar y anotar el ADN permite descubrir secuencias de proteínas únicas.

Utilizando lo que están encontrando en medio del Atlántico y más allá, la base de datos detallada de Basecamp crece constantemente. Los resultados podrían ser esenciales para limpiar el daño causado por los productos químicos tóxicos y encontrar alternativas a estos productos químicos.

Las proteínas proporcionan estructura y función en todos los organismos vivos. Algunas de estas proteínas funcionales son enzimas, que literalmente hacen que sucedan cosas.

“La química industrial es muy contaminante, especialmente la química que se realiza en el desarrollo de fármacos. La biocatálisis ofrece ventajas, tanto para fabricar medicamentos más complejos como para ser más sostenibles, reduciendo la contaminación y la toxicidad de la química convencional”, afirma Ahir Pushpanath, que dirige las asociaciones de Basecamp.

"Las enzimas son catalizadores perfectamente evolucionados", dice Ahir Pushpanath, líder de asociaciones en Basecamp. "Las enzimas son esencialmente sólo un polímero, y los polímeros están formados por aminoácidos, que son los componentes básicos de la naturaleza". Sugiere pensar en ello como si fueran Legos: si tienes un montón de piezas de Lego y las usas para construir una estructura que realiza una función, “así es básicamente como funciona una enzima. En la naturaleza, estos monumentos han evolucionado para representar la química de la vida. Si no tuviéramos enzimas, no estaríamos vivos”.

En nuestros propios cuerpos, las enzimas catalizan todo, desde la visión hasta la digestión de los alimentos y el nuevo crecimiento de los músculos, y estos mismos tipos de enzimas son necesarios en las industrias farmacéutica, agroquímica y de química fina. Pero las condiciones industriales difieren de las del interior de nuestro cuerpo. Entonces, cuando los científicos necesitan ciertas reacciones químicas para crear un producto o sustancia en particular, fabrican sus propios catalizadores en sus laboratorios, generalmente mediante el uso de petróleo y metales pesados.

Estos petroquímicos son efectivos y rentables, pero son un desperdicio y a menudo peligrosos. Ante la creciente preocupación por la sostenibilidad y la salud pública a largo plazo, es esencial encontrar soluciones alternativas a las sustancias químicas tóxicas. "La química industrial es muy contaminante, especialmente la química que se utiliza en el desarrollo de fármacos", dice Pushpanath.

Basecamp está intentando reemplazar los catalizadores creados en laboratorio con enzimas que se encuentran en la naturaleza. Este concepto se llama biocatálisis y, en teoría, todo lo que los científicos tienen que hacer es encontrar las enzimas adecuadas para sus necesidades específicas. Sin embargo, históricamente, los investigadores han luchado por encontrar enzimas que reemplacen a los petroquímicos. Cuando no pueden identificar una coincidencia adecuada, recurren a lo que Pushpanath describe como “evolución dirigida, larga, iterativa y que requiere muchos recursos” en el laboratorio para lograr que una proteína se adapte industrialmente. Pero los últimos avances científicos han permitido estos descubrimientos en la naturaleza.

Ya sea que se trate de Clark y un colega que parten en una expedición, o de un socio local en el terreno que recopila y procesa muestras, hay mucho que aprender de cada colección. "Los genomas microbianos contienen conjuntos completos de información que definen un organismo, de forma muy parecida a cómo las letras son un código que nos permite formar palabras, oraciones, páginas y libros que contienen conocimientos complejos pero digeribles", dice Clark. Piensa en las muestras ambientales como bibliotecas biológicas, llenas de miles de especies, cepas y variantes de secuencia. "Nuestro trabajo es obtener información genética de estas muestras".

"De hecho, podemos idear nuevas proteínas utilizando IA generativa", dice Pushpanath.

Los investigadores de Basecamp logran esta hazaña secuenciando el ADN y luego ensamblando la información en una estructura comprensible. "Estamos construyendo las 'historias' de la biota", dice Clark. Cuanto más variadas sean las muestras, más información valiosa obtendrá su equipo sobre las características de los diferentes organismos y sus interacciones con el medio ambiente. La secuenciación permite a los científicos examinar el orden de los nucleótidos (las moléculas orgánicas que forman el ADN) para identificar la composición genética y encontrar cambios dentro de los genomas. El proceso solía ser demasiado caro, pero el coste de la secuenciación ha bajado de 10.000 dólares hace una década a tan solo 100 dólares. En particular, la biocatálisis no es un concepto nuevo: ha habido oleadas de interés en el uso de enzimas naturales en la catálisis durante más de un siglo, dice Pushpanath. "Pero la tecnología simplemente no estaba ahí para que fuera rentable", explica. "La secuenciación ha sido la mayor ayuda".

La IA es probablemente la segunda mayor ayuda.

"De hecho, podemos idear nuevas proteínas utilizando IA generativa", dice Pushpanath, lo que significa que la biocatáilsis ahora tiene un potencial real de escalamiento.

Glen Gowers, cofundador de Basecamp, compara el enfoque de IA de la empresa con el de las redes sociales y los servicios de streaming. Considere cómo estas plataformas sugieren conectarse con los amigos de sus amigos, o cómo ver una película de comedia de la década de 1990 lleva a la sugerencia de tres más.

"Piensan en los datos como redes de relaciones en lugar de listas de elementos", dice Gowers. “Al hacer lo mismo, podemos vincular los metadatos de las proteínas: por sus relaciones entre sí, los entornos en los que se encuentran, la forma en que esas proteínas pueden parecer similares en secuencia y estructura, el contexto del genoma que las rodea. En realidad, esto se reduce simplemente a crear una red de proteínas con capacidad de búsqueda”.

Uwe Bornscheuer, profesor del Instituto de Bioquímica de la Universidad de Greifswald y cofundador de Enzymicals, otra empresa de biocatálisis, afirma que el desarrollo del aprendizaje automático es un componente fundamental de este trabajo. "Es un tema muy candente, porque el desafío en la ingeniería de proteínas es predecir qué mutación y en qué posición de la proteína hará que una enzima sea adecuada para determinadas aplicaciones", explica Bornscheuer. Estas predicciones son difíciles de hacer para los humanos, y mucho menos de forma rápida. "Está claro que el aprendizaje automático es una tecnología clave".

La biodiversidad comúnmente se refiere a plantas y animales, pero el término se extiende a toda la vida, incluida la vida microbiana, y algunas regiones del mundo son más biodiversas que otras. Construir relaciones con socios globales es otro elemento clave para el éxito de Basecamp. Hacerlo de acuerdo con los principios de acceso y distribución de beneficios establecidos por el Protocolo de Nagoya (un acuerdo internacional que busca garantizar que los beneficios del uso de recursos genéticos se distribuyan de manera justa y equitativa) es parte del espíritu de la empresa. "Existe un gran potencial para nosotros, y existe un gran potencial para que nuestros socios tengan exactamente el mismo impacto en la construcción y el descubrimiento de proteínas y bioquímicas de la naturaleza comercialmente relevantes", dice Clark.

Bornscheuer señala que Basecamp no es la primera empresa de este tipo. Una antigua empresa de San Diego llamada Diversa salió a bolsa en 2000 con un trabajo similar. “En ese momento, el Protocolo de Nagoya no existía, pero Diversa también quería garantizar que si una determinada enzima o microorganismo de Costa Rica, por ejemplo, se utilizara en un proceso industrial, la gente en Costa Rica de alguna manera se beneficiaría de ello. "

Una eventual fusión convirtió a Diversa en Verenium Corporation, que ahora forma parte del productor de productos químicos BASF, pero sentó las bases importantes para que empresas modernas como Basecamp sigan escalando con las tecnologías actuales.

"Recopilar la diversidad natural es la clave para identificar nuevos catalizadores para su uso en nuevas aplicaciones", dice Bornscheuer. "La diversidad natural es inmensa y en los últimos 20 años hemos obtenido la ventaja de que la secuenciación ya no es un factor de costo o tiempo".

Esto ha permitido a Basecamp hacer crecer rápidamente su base de datos, superando a Universal Protein Resource o UniProt, que es el depósito público de secuencias de proteínas más utilizadas por los investigadores. La base de datos de Basecamp es tres veces más grande y totaliza alrededor de 900 millones de secuencias. (UniProt no cumple con el Protocolo de Nagoya porque, como base de datos pública, no proporciona trazabilidad de secuencias de proteínas. Sin embargo, algunos científicos argumentan que el cumplimiento de Nagoya obstaculiza el progreso).

“Con el tiempo, este trabajo reducirá los procesos químicos. Tendremos procesos más limpios y más sostenibles”, afirma Uwe Bornscheuer, profesor de la Universidad de Greifswald.

Con tanta información disponible, la IA de Basecamp ha sido entrenada en "el verdadero diccionario de la vida de las secuencias de proteínas", dice Pushpanath, lo que hace posible diseñar secuencias para aplicaciones particulares. "A través de enfoques de aprendizaje profundo, podemos encontrar secuencias de proteínas directamente desde nuestra base de datos, sin necesidad de una mayor evolución dirigida al laboratorio".

Recientemente, una importante empresa química estaba buscando una transaminasa específica, una enzima que cataliza la transferencia de grupos amino. "Ya habían gastado un año y medio y casi dos millones de dólares para desarrollar una enzima de base de datos pública, y todavía no habían alcanzado su objetivo", dice Pushpanath. "Utilizamos nuestros enfoques de IA en nuestra novedosa base de datos para generar 10 candidatos en una semana que, cuando fueron validados por el cliente, lograron el objetivo deseado incluso mejor que su candidato mejor evolucionado".

El otro enorme potencial de Basecamp está en la biorremediación, donde las enzimas naturales pueden ayudar a deshacer el daño causado por los químicos tóxicos. "La biocatálisis afecta a ambos lados", dice Gowers. "Reduce el uso de productos químicos para fabricar productos y, al mismo tiempo, donde existen sitios de contaminación por derrames químicos, también hay enzimas para limpiarlos".

Hasta ahora, el muestreo alrededor del mundo de Basecamp ha cubierto el 50 por ciento de los 14 principales biomas, o regiones del planeta que pueden distinguirse por su flora, fauna y clima, según lo define el Fondo Mundial para la Naturaleza. La otra mitad aún está por catalogar, un hito clave para comprender la diversidad de proteínas de nuestro planeta, señala Pushpanath.

Todavía queda un largo camino por recorrer para reemplazar completamente los petroquímicos con enzimas naturales, pero la biocatálisis está en una trayectoria ascendente. "Con el tiempo, este trabajo reducirá los procesos químicos", afirma Bornscheuer. "Tendremos procesos más limpios, procesos más sostenibles".

Este artículo apareció en Leaps.org, una editorial de periodismo galardonado sobre innovación científica, ética y el futuro de la humanidad.