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Representación de la lacasa mutante ChU-B, diseñada por evolución dirigida para ser activa en sangre de humanos. Imagen: Diana Maté. Fuente: CSIC.
La lacasa es una enzima conocida por su alta capacidad de oxidar un amplio espectro de sustratos en la naturaleza, para ello emplea oxígeno del aire y libera agua como único subproducto. Una investigación liderada por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha logrado diseñar una versión mutante de esta enzima que mantiene su capacidad oxido-reductora bajo las duras condiciones ambientales del torrente sanguíneo.
“El objetivo de este mutante es actuar como elemento de una batería que genere la corriente necesaria para hacer funcionar dispositivos nanoscópicos implantables en los vasos sanguíneos”, explica el investigador del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC y responsable del trabajo, Miguel Alcalde, en la nota de prensa de la institución.
La capacidad oxido-reductora de las formas originales de lacasa queda prácticamente inhibida ante el pH sanguíneo y la elevada composición de sales. Según la investigación, publicada hoy en la revista Chemistry&Biology, la actividad en sangre de la lacasa mutante es 42.000 veces superior a la de la misma enzima en su estado original.
El proceso para dar lugar al mutante se ha basado en la evolución dirigida. Esta metodología recrea los procesos de evolución natural adaptados a los entornos deseados. El investigador del CSIC confiesa que “fue necesaria una exploración masiva de genotecas mutantes y el análisis de más de 10.000 clones para diseñar el mutante adecuado: la lacasa ChU-B”.
Tanto dicha versión de la enzima como la metodología para desarrollarla han dado lugar a sendas patentes del CSIC.
“El objetivo de este mutante es actuar como elemento de una batería que genere la corriente necesaria para hacer funcionar dispositivos nanoscópicos implantables en los vasos sanguíneos”, explica el investigador del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC y responsable del trabajo, Miguel Alcalde, en la nota de prensa de la institución.
La capacidad oxido-reductora de las formas originales de lacasa queda prácticamente inhibida ante el pH sanguíneo y la elevada composición de sales. Según la investigación, publicada hoy en la revista Chemistry&Biology, la actividad en sangre de la lacasa mutante es 42.000 veces superior a la de la misma enzima en su estado original.
El proceso para dar lugar al mutante se ha basado en la evolución dirigida. Esta metodología recrea los procesos de evolución natural adaptados a los entornos deseados. El investigador del CSIC confiesa que “fue necesaria una exploración masiva de genotecas mutantes y el análisis de más de 10.000 clones para diseñar el mutante adecuado: la lacasa ChU-B”.
Tanto dicha versión de la enzima como la metodología para desarrollarla han dado lugar a sendas patentes del CSIC.
El ‘nanochip prodigioso’
Del mismo modo que en la naturaleza la lacasa acepta electrones de diferentes sustratos, cuando está inmovilizada en el cátodo de una nanopila toma los electrones procedentes del ánodo, donde otra enzima oxida la glucosa sanguínea. De este modo se produce una corriente eléctrica continua que permite la generación de la potencia necesaria para que todo el dispositivo funcione.
El objetivo de esta fuente de energía es alimentar chips implantables que informen de forma inalámbrica y en tiempo real al hospital sobre la concentración de diferentes metabolitos de la sangre de un paciente, como la glucosa, el oxígeno y la insulina.
Para ello cuentan con un transductor portador de una antena que envía la información a las bases de datos del hospital y con un biosensor encargado de medir el parámetro deseado. Alcalde indica que, “en función del parámetro que se quiera medir, el biosensor requerirá una enzima u otra”. En el caso del oxígeno, por ejemplo, la lacasa mutante puede también servir como enzima de medición, ya que es la fuente que utiliza para captar electrones. No obstante, para medir glucosa será necesaria una enzima glucosa-oxidasa.
Para el investigador del CSIC, “este trabajo supone un notable avance para la aplicación de lacasas en el diseño de nanobiodispositivos con fines biomédicos”. Alcalde explica: “Al mutante capaz de actuar en sangre podrían unírsele, en el futuro, otros capaces de operar en lágrimas y otros fluidos fisiológicos humanos”.
La investigación, fruto de la colaboración con investigadores de ocho universidades y centros de investigación internacionales, y dos empresas privadas, pertenece al proyecto 3D-nanobiodevices del VII Programa Marco de la Unión Europea.
Del mismo modo que en la naturaleza la lacasa acepta electrones de diferentes sustratos, cuando está inmovilizada en el cátodo de una nanopila toma los electrones procedentes del ánodo, donde otra enzima oxida la glucosa sanguínea. De este modo se produce una corriente eléctrica continua que permite la generación de la potencia necesaria para que todo el dispositivo funcione.
El objetivo de esta fuente de energía es alimentar chips implantables que informen de forma inalámbrica y en tiempo real al hospital sobre la concentración de diferentes metabolitos de la sangre de un paciente, como la glucosa, el oxígeno y la insulina.
Para ello cuentan con un transductor portador de una antena que envía la información a las bases de datos del hospital y con un biosensor encargado de medir el parámetro deseado. Alcalde indica que, “en función del parámetro que se quiera medir, el biosensor requerirá una enzima u otra”. En el caso del oxígeno, por ejemplo, la lacasa mutante puede también servir como enzima de medición, ya que es la fuente que utiliza para captar electrones. No obstante, para medir glucosa será necesaria una enzima glucosa-oxidasa.
Para el investigador del CSIC, “este trabajo supone un notable avance para la aplicación de lacasas en el diseño de nanobiodispositivos con fines biomédicos”. Alcalde explica: “Al mutante capaz de actuar en sangre podrían unírsele, en el futuro, otros capaces de operar en lágrimas y otros fluidos fisiológicos humanos”.
La investigación, fruto de la colaboración con investigadores de ocho universidades y centros de investigación internacionales, y dos empresas privadas, pertenece al proyecto 3D-nanobiodevices del VII Programa Marco de la Unión Europea.
Referencia bibliográfica:
Diana M. Mate, David Gonzalez-Perez, Magnus Falk, Roman Kittl, Marcos Pita, Antonio L. De Lacey, Roland Ludwig, Sergey Shleev, and Miguel Alcalde. Blood Tolerant Laccase by Directed Evolution. Chemistry&Biology. DOI: 10.1016/j.chembiol.2013.01.001
Diana M. Mate, David Gonzalez-Perez, Magnus Falk, Roman Kittl, Marcos Pita, Antonio L. De Lacey, Roland Ludwig, Sergey Shleev, and Miguel Alcalde. Blood Tolerant Laccase by Directed Evolution. Chemistry&Biology. DOI: 10.1016/j.chembiol.2013.01.001
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