Enzims i sucres: de la catàlisi a l'enginyeria enzimàtica/ Memòria llegida per l'acadèmic electe Dr. Antoni Planas i Sauter a l'acte de la seva recepció del dia 2 de juny de 2022.

• Autores: Antoni Planas
• Localización: Memorias de la Real Academia de Ciencias y Artes de Barcelona, ISSN 0368-8283, Vol. 69, Núm. 2, 1068, 2022 (Ejemplar dedicado a: Enzims i sucres), págs. 3-43
• Idioma: catalán
• Enlaces
  • Texto Completo Ejemplar
• Resumen
  • español

    Los enzimas son los catalizadores de las reacciones químicas en los organismos vivos, caracterizados por su eficiencia catalítica y especificidad por las reacciones que catalizan, por los sustratos que reconocen y por la estereoespecificidad de su conversión a productos. A principios del siglo XX se identifica que los enzimas son proteínas y se desarrollan los conceptos de la catálisis enzimática, donde el elemento central son las interacciones no covalentes fruto de la unión del sustrato al centro activo del enzima que estabiliza el estado de transición de la reacción, aportando la fuerza motriz para acelerar la velocidad de reacción. Pero, además de su función como catalizadores naturales, son herramientas para catalizar transformaciones artificiales convirtiéndose en biocatalizadores para la producción de productos químicos y materiales en la transición hacia la química verde con tecnologías sostenibles desde los puntos de vista energético y medioambiental. La enzimología estudia los mecanismos, cinética y estructura molecular de los enzimas para descifrar la relación entre estructura y función. Y, con el desarrollo de las herramientas de biología molecular del ADN, nace la ingeniería enzimática con el fin de modificar enzimas naturales para convertirlos en catalizadores a medida para las transformaciones químicas deseadas. Esta ingeniería se realiza mediante dos estrategias complementarias:

    el diseño racional basado en el conocimiento de la estructura y propiedades del enzima y la evolución dirigida —donde la aproximación es más aleatoria—, basada en la generación de diversidad y en la selección de la variante que funciona para la aplicación deseada.

    En esta memoria se presentan los conceptos clave de la catálisis enzimática y la ingeniería de proteínas y, particularmente, de los enzimas activos sobre los hidratos de carbono. Estos enzimas son los responsables de la biosíntesis, degradación y modificación de oligosacáridos, polisacáridos y glicoconjugados, biomoléculas centrales en la naturaleza y además moléculas con muchas aplicaciones prácticas. Se relatan en esta memoria algunas contribuciones a la enzimología e ingeniería enzimática de estas familias de enzimas activas sobre carbohidratos, sobre el mecanismo de glicosidasas y glicosiltransferasas, de la ingeniería de hidrolasas a sintasas y sobre la evolución dirigida de glicosintasas y esterasas y algunas aplicaciones relevantes en biocatálisis para la producción de glicanos y glicoconjugados.

  • català

    Els enzims són els catalitzadors de les reaccions químiques en els organismes vius, caracteritzats per la seva eficiència catalítica i especificitat per les reaccions que catalitzen, pels substrats que reconeixen i per l’estereoespecificitat de la seva conversió a productes. A principis del segle XX s’identifica que els enzims són proteïnes i es desenvolupen els conceptes de la catàlisi enzimàtica en què l’element central són les interaccions no covalents fruit de la unió del substrat al centre actiu de l’enzim que estabilitza l’estat de transició de la reacció, i aporta la força motriu per a accelerar la velocitat de reacció. Però, a més de la funció que fan com a catalitzadors naturals, són eines per a catalitzar transformacions artificials i esdevenen biocatalitzadors per a la creació de productes químics i materials en la transició cap a la química verda amb tecnologies sostenibles des dels punts de vista energètic i mediambiental. L’enzimologia estudia els mecanismes, la cinètica i l’estructura molecular dels enzims per a desxifrar la relació entre estructura i funció. I amb el desenvolupament de les eines de biologia molecular de l’ADN sorgeix l’enginyeria enzimàtica, amb la finalitat de modificar enzims naturals per a convertir-los en catalitzadors a mida per a les transformacions químiques que interessa. Aquesta enginyeria es realitza amb dues estratègies complementàries: el disseny racional basat en el coneixement de l’estructura i propietats de l’enzim i l’evolució dirigida —en què l’aproximació és més aleatòria—, basada a generar diversitat i seleccionar la variant que funciona per a l’aplicació que es vol.

    En aquesta memòria es presenten els conceptes clau de la catàlisi enzimàtica i l’enginyeria de proteïnes i, particularment, dels enzims actius sobre els hidrats de carboni. Aquests enzims són els responsables de la biosíntesi, la degradació i la modificació d’oligosacàrids, polisacàrids i glicoconjugats, biomolècules centrals a la natura i, a més, molècules amb moltes aplicacions pràctiques. En aquesta memòria es relaten algunes contribucions a l’enzimologia i l’enginyeria enzimàtica d’aquestes famílies d’enzims actius sobre carbohidrats, sobre el mecanisme de glicosidases i glicosiltransferases, de l’enginyeria d’hidrolases a sintases i sobre l’evolució dirigida de glicosintases i esterases i algunes aplicacions rellevants en biocatàlisi per a la producció de glicans i glicoconjugats.

  • English

    Enzymes are the catalysts for chemical reactions in living organisms, characterized by their catalytic efficiency and specificity for the reactions they catalyze, the substrates they recognize and the stereospecificity of their conversion to products.

    At the beginning of the twentieth century enzymes are identified as proteins and the concepts of enzymatic catalysis are developed. The central element is the noncovalent interactions resulting from binding of the substrate to the active center of the enzyme that stabilizes the transition state of the reaction, providing the driving force for catalysis by accelerating the reaction rate. But in addition to their function as natural catalysts, they are tools for catalyzing artificial transformations, becoming biocatalysts for the production of chemicals and materials in the transition to green chemistry with energy and environmentally sustainable technologies. Enzymology studies the mechanisms, kinetics, and molecular structures of enzymes to decipher structure and function relationships. And with the advent of DNA molecular biology tools, enzyme engineering was born with the aim of modifying natural enzymes to turn them into bespoke catalysts for the desired chemical transformations. This engineering is carried out by two complementary strategies: rational design based on knowledge of the structure and properties of the enzyme and directed evolution, where the approach is more random, based on generating diversity and selecting the variant that works for the desired application.

    This report presents the key concepts of enzymatic catalysis and protein engineering, and particularly of enzymes active on carbohydrates. These enzymes are responsible for the biosynthesis, degradation and modification of oligosaccharides, polysaccharides and glycoconjugates, biomolecules central to nature and also molecules with many practical applications. This account reports some contributions to enzymology and enzyme engineering of these families of carbohydrate-active enzymes, on the mechanism of glycosidases and glycosyltransferases, on the engineering of hydrolases to synthases and on the directed evolution of glycosynthases and esterases and some relevant applications in biocatalysis for the production of glycans and glycoconjugates.