Los investigadores del Centro de Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos (CABBI) han logrado un avance significativo que podría conducir a productos químicos agrícolas y de uso diario mejores y más ecológicos.
Mediante un proceso que combina enzimas naturales y luz, el equipo de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign desarrolló una forma ecológica de mezclar con precisión flúor, un aditivo importante, en sustancias químicas llamadas olefinas, hidrocarburos que se utilizan en una amplia gama de productos, desde detergentes hasta combustibles y medicamentos. Este método innovador ofrece una nueva estrategia eficiente para crear sustancias químicas de alto valor con posibles aplicaciones en agroquímicos, productos farmacéuticos, combustibles renovables y más.
El estudio, publicado en Ciencia, Fue dirigido por el líder del tema de conversión de CABBI, Huimin Zhao, profesor de Ingeniería química y biomolecular (ChBE), líder del tema de diseño de biosistemas en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica (IGB) y director del Instituto NSF Molecule Maker Lab en Illinois; y el autor principal Maolin Li, investigador asociado postdoctoral de CABBI, ChBE e IGB.
Como aditivo, el flúor puede hacer que los agroquímicos y los medicamentos funcionen mejor y duren más. Su pequeño tamaño, sus propiedades electrónicas y su capacidad para disolverse fácilmente en grasas y aceites tienen un profundo impacto en la función de las moléculas orgánicas, aumentando su absorción, estabilidad metabólica e interacciones proteicas. Sin embargo, agregar flúor es complicado y generalmente requiere procesos químicos complejos que no siempre son amigables con el medio ambiente.
Los científicos que participaron en este estudio utilizaron una «fotoenzima» (una enzima reutilizada que funciona bajo la luz) para ayudar a incorporar flúor a estos productos químicos. Mediante el uso de luz y fotoenzimas, pudieron unir con precisión el flúor a las olefinas, controlando exactamente dónde y cómo se agrega. Como este método no solo es ecológico sino también muy específico, permite una creación más eficiente de nuevos compuestos útiles que antes eran difíciles de producir.
Este enfoque llena un gran vacío en la química molecular, ya que los métodos anteriores para agregar flúor eran limitados e ineficientes. También abre nuevas posibilidades para crear mejores medicamentos y productos agrícolas, ya que los compuestos fluorados suelen ser más eficaces, estables y duraderos que sus contrapartes no fluoradas. Eso significa que los fertilizantes y herbicidas podrían ser más eficaces para proteger los cultivos y los medicamentos podrían ser más potentes o tener menos efectos secundarios.
«Este avance representa un cambio significativo en la manera en que abordamos la síntesis de compuestos fluorados, cruciales en numerosas aplicaciones, desde la medicina hasta la agricultura», afirmó Zhao. «Al aprovechar el poder de las enzimas activadas por luz, hemos desarrollado un método que mejora la eficiencia de estas síntesis y se alinea con la sostenibilidad ambiental. Este trabajo podría allanar el camino para nuevas tecnologías más ecológicas en la producción química, lo que es un triunfo no solo para la ciencia, sino para la sociedad en general».
La investigación contribuye a la misión de bioenergía de CABBI al ser pioneros en métodos innovadores de biocatálisis que pueden mejorar la producción de productos químicos de origen biológico (aquellos derivados de recursos renovables, como plantas o microorganismos, en lugar de petróleo). El desarrollo de procesos bioquímicos más eficientes y respetuosos con el medio ambiente se alinea con el objetivo de CABBI de crear soluciones de bioenergía sostenibles que minimicen el impacto ambiental y reduzcan la dependencia de los combustibles fósiles.
También contribuye a la misión más amplia del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) de impulsar avances en bioenergía y bioproductos. Los métodos desarrollados en este estudio pueden conducir a procesos industriales más sostenibles que consumen menos energía y reducen los desechos químicos y la contaminación, lo que respalda los objetivos del DOE de promover tecnologías de energía limpia. La capacidad de crear de manera eficiente compuestos fluorados de alto valor podría conducir a mejoras en varios campos, incluidas las fuentes de energía renovables y los bioproductos que respaldan el crecimiento económico y la sostenibilidad ambiental.
«Nuestra investigación abre posibilidades fascinantes para el futuro del desarrollo farmacéutico y agroquímico», afirmó Li. «Al integrar flúor en moléculas orgánicas mediante un proceso fotoenzimático, no solo mejoramos las propiedades beneficiosas de estos compuestos, sino que también lo hacemos de una manera más responsable con el medio ambiente. Es emocionante pensar en las posibles aplicaciones de nuestro trabajo para crear productos más eficaces y sostenibles para el uso diario».
Los investigadores del CABBI Yujie Yuan, Wesley Harrison y Zhengyi Zhang del ChBE y el IGB en Illinois fueron coautores de este estudio.