El modelado molecular expande el conocimiento sobre materiales biopoliméricos

Una técnica computacional de simulación dinámica presenta resultados prometedores con celulosa y puede llevar a perfeccionar investigaciones con materiales vitrocerámicos

Por Diego Freire

Agência FAPESP – En el Centro de Investigaciones en Ingeniería y Ciencias Computacionales (CCES, por sus siglas en inglés), un Centro de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID) financiado por la FAPESP, el modelado basado en la técnica de simulación computacional por dinámica molecular ha generado una mejor comprensión sobre los materiales biopoliméricos –la celulosa, la hemicelulosa y la lignina, por ejemplo– y acerca de cómo se ordenan dichos componentes en la pared celular das plantas.

Científicos de instituciones de São Paulo y de California compartieron las posibilidades de aplicación de esta técnica en investigaciones con materiales vitrocerámicos y materia condensada blanda durante la FAPESP Week UC Davis in Brazil, organizada por la FAPESP y por la University of California (UC) en Davis los días 12 y 13 de mayo de 2015, en la capital paulista.

La presentación de las investigaciones del CCES, desarrolladas en el marco del Programa FAPESP de Investigaciones en Bioenergía (BIOEN) para la producción de bioetanol de segunda generación, estuvo a cargo de Munir Salomao Skaf, coordinador de mencionado Centro y docente del Instituto de Química (IQ) de la Universidad de Campinas (Unicamp).

"Este modelado ayuda a computar y determinar los movimientos de cada átomo componente del sistema molecular, que imita al sistema fisiológico, con la proteína, el polímero, el solvente, los iones, etc. Al conocerse las interacciones entre las partículas a través de la computación de alto desempeño del CCES, es posible estudiar y entender de qué manera éstas interactúan", explicó en declaraciones a Agência FAPESP.

Entre los resultados más recientes se encuentra la identificación de los factores que llevan a la inestabilidad de las enzimas en el proceso de hidrólisis. En una investigación llevada adelante por Rodrigo Silveira Vieira, del IQ, con el apoyo de la FAPESP, se estudiaron las principales causas por las cuales la celobiosa, un producto de la hidrólisis, es también un inhibidor de esa reacción.

“La enzima ataca a las fibras de celulosa, rompe sus cadenas y genera pequeñas moléculas llamadas celobioses, como resultado de esa reacción. La reacción avanza y la concentración de celobiosa aumenta y pasa a inhibirla, impidiéndole que prosiga”, explicó Skaf.

Sucede que, tan pronto como la enzima termina de hacer la hidrólisis, ella misma “retiene” al producto en el lugar donde se lo produjo, con lo cual obstruye el canal.

“Se produce entonces una inhibición de la actividad enzimática a cargo del propio producto de la reacción. Nosotros logramos determinar el factor responsable de ello. Se trata de un residuo, un aminoácido en particular, que es el encargado de retener al producto de la reacción en la cavidad de la enzima, lo que impide que la celobiosa sea eliminada hacia el medio y que la enzima ataque a nuevos sustratos que no han sido hidrolizados”, dijo.

De acuerdo con Skaf, este estudio sugiere que mutaciones genéticas podrían llevar a una enzima catalíticamente eficiente y menos inhibida por el producto de su reacción.

En otra investigación, bajo la responsabilidad de Erica Teixeira Prates, y también con el apoyo de la FAPESP, se estudiaron las endoglucanasas, enzimas modulares con un módulo responsable de la reacción y otros a cargo de la unión con el sustrato, cuya función consiste en "pegar" las fibras de la celulosa en la pared celular, acercando así el dominio catalítico a su blanco.

Se encontró una endoglucanasa que no requiere de ese módulo de unión al carbohidrato. "Esa enzima es una endoglucanasa de un microorganismo que desarrolló evolutivamente otros mecanismos que desempeñan ese papel de unión con el sustrato", dijo Skaf.

El grupo obtuvo también resultados prometedores en el estudio de las fuerzas termodinámicas que mantienen la cohesión de la pared celular, al detectar la influencia de los distintos tipos de hemicelulosa sobre las fibrilas de celulosa. También se estudiaron celobiohidrolasas del microorganismo Trichoderma harzianum, que produce una cantidad muy grande de enzimas y puede llevar al desarrollo de un cóctel enzimático.

Interacciones

Las investigaciones con modelado molecular se ubican en el campo de los estudios experimentales y, en el CCES, se realizan en colaboración con biofísicos estructurales de proteínas –los cristalógrafos– y biólogos moleculares.

Mientras que los biofísicos aíslan las proteínas y obtienen la estructura cristalográfica de las mismas, con una imagen estática de la posición de cada átomo, los biólogos moleculares y enzimólogos realizan ensayos enzimáticos para saber cómo actúa esa enzima en distintos sustratos, tipos de celulosa y otros polisacáridos.

"Por un lado, tenemos la estructura de la proteína y, por otro, los ensayos biológicos –cómo ésta actúa para promover la degradación de la biomasa–, y en la investigación se establece el puente entre la estructura estática y los comportamientos biológicos", comentó Skaf.

La información sobre la estructura de la enzima y los ensayos enzimáticos se utiliza para generar pequeños filmes de las trayectorias de las moléculas, a los efectos de mostrar cómo se mueven los átomos.

Con los millones de frames (“cuadros”) de las trayectorias moleculares capturados por la computación de alto desempeño del CEPID, se desarrollan programas que analizan esas trayectorias y permiten observar, entre otras cosas, de qué modo el sustrato se une a la proteína, qué lo mantiene en una posición adecuada para la hidrólisis, qué residuos interactúan más o menos y cuáles son las alteraciones estructurales de la enzima en el transcurso del tiempo.

"Efectuamos un seguimiento y analizamos esos procesos, correlacionándolos con sus funcionamientos biológicos –con ensayos enzimáticos– en procesos naturales, cuando los hongos y las bacterias descomponen la materia orgánica en la naturaleza, o en procesos industriales, cuando se utilizan esas enzimas para degradar biomasa y convertirla en azúcares menores, fermentados en etanol o convertidos en otros productos químicos de mayor valor agregado, en lo que se denomina biorrefinerías", explicó Skaf.

Materiales vitrocerámicos

Para Alexandra Navrotsky, rectora interina de la UC Davis e investigadora de Ciencias Físicas y Matemática, las simulaciones dinámicas moleculares desarrolladas en el CCES tienen potencial para aplicarse en estudios con distintos materiales.

“Las técnicas básicamente son las mismas; al fin y al cabo, estamos hablando de la materia, que está compuesta por átomos y moléculas. Si sabemos de qué manera interactúan unos con otros, es posible computar esos procesos y las fuerzas ejercidas sobre esos átomos y esas moléculas, y determinar sus movimientos, generando trayectorias atómicas para cualquier sistema. Las experiencias exitosas de Brasil en tal sentido pueden y deben multiplicarse", declaró a Agência FAPESP.

Navrotsky se refirió durante la FAPESP Week a sus investigaciones con materia condensada blanda, especialmente a los estudios calorimétricos de sistemas micelares y de otros materiales afines.

En la oportunidad también se presentaron investigaciones realizadas en el Centro de Enseñanza, Investigación e Innovación en Vidrios (CeRTEV), otro CEPID de la FAPESP.

"Apuntamos a entender las correlaciones existentes entre la estructura molecular de los vidrios –que como no es cristalina, posee átomos desordenados– y procesos dinámicos tales como el flujo viscoso (fluidez), la relajación estructural, el cambio de la estructura del vidrio cuando se lo calienta a una determinada temperatura y la cristalización, que es nuestro mayor interés, puesto que lleva a los vitrocerámicos y a aplicaciones comerciales de los materiales policristalinos", explicó Edgar Dutra Zanotto, coordinador del CeRTEV y docente del Departamento de Ingeniería de Materiales del Centro de Ciencias Exactas y Tecnología de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar).

Entre las aplicaciones comerciales de los vitrocerámicos, materiales vítreos cristalizados controladamente, Zanotto presentó el desarrollo de dientes artificiales que imitan a los naturales con un alto grado de fidelidad, y materiales transparentes de alta resistencia balística que parecen vidrio, pero que son policristalinos, mucho más duros y resistentes.

También se están desarrollando materiales en vitrocerámica para arquitectura que imitan al mármol, al granito y como piedras artificiales, y biovitrocerámicos para implantes, en reemplazo de los huesecillos del oído, de las manos y del rostro.

"Esos materiales biovitrocerámicos son mucho más biocompatibles y bioactivos que el titanio, por ejemplo. En contacto con el plasma, la saliva, el sudor y otros fluidos corporales, forman automáticamente una capa de hidróxido carbonato apatita, y se unen a cartílagos y huesos, con la posibilidad de asumir funciones que el titanio no es capaz de asumir", explicó.

Para Zanotto, los debates en la FAPESP Week pueden derivar en colaboraciones entre científicos de São Paulo y de California tendientes a ampliar aún más el radio de acción de las investigaciones.

"Nuestros estudios pueden beneficiase con datos y mediciones termodinámicas realizadas en la UC Davis, si tenemos en cuenta que Alexandra Navrotsky es una de las mayores expertas en termodinámica de líquidos y vidrios, así como su grupo podrá beneficiarse con las simulaciones de procesos dinámicos en líquidos para entender mejor las correlaciones que se estudian en California", destacó.