Los pantalones «blue jean» que usas, el jugo de naranja que bebes, el detergente para tu ropa, entre otros elementos de uso cotidiano, no serían posible sin la actividad de un tipo de proteínas conocidas como «enzimas». Actualmente, las enzimas utilizadas en la industria se producen a través de un proceso costoso y laborioso que requiere almacenamiento en frío. Pero un reciente enfoque innovador está abriendo una nueva forma de producir estas valiosas proteínas en plantas genéticamente modificadas.
Dos nuevos estudios, dirigidos por el bioquímico Henry Daniell de la Escuela de Medicina de la Universidad de Pensilvania (Penn Dental Medicine), revelan que las enzimas que crecen en plantas genéticamente modificadas pueden ser tan efectivas como la enzima tradicional derivada de microbios (también genéticamente modificados) cultivados en bioreactores para llevar a cabo una serie de tareas industriales, desde limpiar la pulpa de naranja del equipo de extracción de jugo, limpiar las manchas de ropa, destiñendo textiles o quitando el frisado. Dichas enzimas cultivadas en plantas tienen el beneficio adicional de ser más baratas de producir y estables en almacenamiento en forma de polvo, sin necesidad de refrigeración.
«Algunas de nuestras enzimas son incluso más eficientes que los procesos actuales porque evita todas las etapas que se requieren para procesar los productos microbianos: fermentación, purificación, almacenamiento en frío y transporte«, dice Daniell. «Estoy emocionado de haber sido pionero en la producción de tecnología que forma parte de las actividades cotidianas y puede marcar una gran diferencia en la asequibilidad».
La tecnología ha llevado al lanzamiento de Phyllozyme, una nueva empresa emergente que ahora ocupa un espacio de laboratorio en el Pennovation Center, una incubadora que alberga a unos 350 innovadores en el área de desarrollo de Pennovation.
En el primer estudio, los investigadores de Penn utilizaron esta técnica para producir cinco nuevas enzimas derivadas de plantas y las compararon con otros 15 productos de enzimas comerciales que ahora se derivan de microbios, generalmente levaduras. Todos son de uso común en la industria textil. Muchos se utilizan en detergentes; por ejemplo, las enzimas como la lipasa y la mananasa pueden descomponer las moléculas complejas que están presentes en las manchas, como los aceites, el chocolate y el jugo. Otras enzimas se usan para permitir que la tela tome o suelte el tinte y para evitar que la tela forme pequeños nudos o bolitas (frisado).
Al comparar los productos elaborados en plantas con los otros, una diferencia importante fue la capacidad de permanencia. Las enzimas disponibles comercialmente debían mantenerse refrigeradas y su actividad disminuyó a un pH más alto o a temperaturas más altas. Por el contrario, los productos derivados de vegetales se mantuvieron estables a temperatura ambiente durante 16 meses, y se mantuvieron efectivos en un amplio rango de valores de pH y temperaturas.
El equipo de Penn puso las enzimas en acción en «una comparación cabeza a cabeza», dice Daniell, probando su capacidad para eliminar el tinte índigo de la mezclilla («bio-lavado»), la tela tricotada («bio-pulido») y eliminarr manchas de chocolate y aceite de mostaza. En todos los casos, las enzimas de la filozima correspondientes lograron resultados comparables, y en algunos casos mejores, que sus contrapartes producidas por microbios.
Los experimentos en el invernadero de Penn Dental, ubicado en Pennovation Works, y en las instalaciones de cultivo hidropónico de Fraunhofer, demostraron que la producción de enzimas en plantas de tabaco o lechuga genéticamente modificadas (o transgénicas en este caso) podría generar rendimientos significativos, y que los productos enzimáticos resultantes eran efectivos y activos, incluso cuando las plantas se cosechaban en distintos periodos de tiempo.
En un segundo estudio, que examinó específicamente las pectinasas, que son enzimas que descomponen la pectina (un componente natural de las frutas), usado como aditivo en ciertos alimentos y un componente de la fibra de algodón. Los fabricantes de jugos usan pectinasas para mantener su equipo libre de acumulación de pulpa. Los fabricantes de textiles lo utilizan para romper el revestimiento del algodón que bloquea la absorción de agua. Contraintuitivamente, la fibra de algodón natural no absorbe agua hasta que las enzimas eliminan la pectina.
Al igual que en el otro estudio, los investigadores de Penn colaboraron con científicos de otras instituciones para enfrentar pectinasas derivadas de plantas genéticamente modificadas contra ocho pectinasas líquidas producidas por microbios comercialmente disponibles. Como antes, las enzimas fabricadas en plantas se mantuvieron estables hasta 16 meses y funcionaron en un amplio rango de temperatura y pH. Las pectinasas líquidas perdieron actividad a un pH más alto.
El equipo liderado por Penn, que utiliza equipos normalmente apalancados en la industria textil, demostró que las enzimas fabricadas en plantas podrían descomponer la pectina en la tela de algodón de manera más efectiva, permitiendo que el agua se absorba más rápido, en un proceso llamado «bioscouring». Este es un paso necesario en el teñido de telas también.
También probaron las enzimas derivadas de plantas para clarificar el jugo de naranja, un paso que permite que el jugo sea licuado más fácilmente y también libera sabor y nutrientes de la pulpa de la fruta. Aquí, además, las enzimas derivadas de plantas eran iguales o mejores que las producciones comerciales derivadas de microbios. Daniell señala que un cóctel de diferentes enzimas puede permitir que los fabricantes de jugo se den cuenta aún más de los beneficios nutricionales del jugo, liberando más nutrientes indigestos de la pulpa.
Daniell está entusiasmado con el potencial de estos productos para remodelar los procesos industriales, particularmente porque las prácticas actuales, por ejemplo en la industria textil, involucran la producción de una gran cantidad de contaminantes químicos que pueden dañar los cursos de agua alrededor de las instalaciones textiles. El costo y la seguridad son otros temas clave que espera que esta tecnología pueda abordar.
«La tecnología actual para producir enzimas no ha avanzado durante décadas», dice Daniell. «No ha habido movimiento en el costo ni en la estabilidad. Si estamos vendiendo estas enzimas a una empresa de jugos, sería una gran ventaja contar con un producto seguro, económico y estable al que puedan recurrir como alternativa. a las enzimas actualmente disponibles «.
Las enzimas de origen vegetal también sirven como un hito en el campo de la ingeniería genética, como el primer producto proteico elaborado en hojas para uso comercial.
«Es increíble presenciar un producto comercial que impactará a muchas personas y procesos que surgen de nuestra escuela», dice Mark Wolff, decano de Penn Dental Medicine. «Henry está ayudando a trazar un camino de innovación que sé que veremos muchos otros profesores y estudiantes en los próximos años».