¿Qué es la biocatálisis?

Una de las dudas más frecuentes al adentrarnos en las biociencias moleculares es la de qué es la biocatálisis, una técnica que, a pesar de llevar décadas utilizándose en la industria, sigue siendo bastante desconocida.

Si tú también la estás descubriendo ahora, en este artículo encontrarás una definición muy completa, con ejemplos para entenderla de forma sencilla, así como un resumen de sus principales aplicaciones en la industria.

¿Qué es la biocatálisis?

La biocatálisis consiste en el uso de sistemas biológicos vivos o sus partes para acelerar (catalizar) reacciones químicas.

Es decir, se utilizan catalizadores naturales o biológicos para provocar transformaciones químicas en compuestos orgánicos y crear nuevos productos.

Un ejemplo es el de la biocatálisis que se produce en una manzana, que se podría dar en dos situaciones.

Una de ellas es cuando la dejas al aire libre. En este caso, con el paso del tiempo, se empieza a pudrir y a cambiar de color y textura.

Esto se debe a que en la manzana hay enzimas naturales que actúan como catalizadores y provocan transformaciones químicas.

El otro caso es cuando utilizas la manzana para hacer una mermelada. Para ello, introduces la manzana troceada en un recipiente cerrado junto con azúcar.

Las enzimas naturales de la manzana, como la pectinasa, catalizan la transformación de los azúcares en ácido péctico, que actúa como agente gelificante y da consistencia a la mermelada.

De esta manera, has utilizado catalizadores naturales (enzimas) presentes en la manzana para provocar transformaciones químicas en los compuestos orgánicos (azúcares, pectina) y crear un nuevo producto (mermelada).

Este mismo principio se aplica en los procesos de biocatálisis a mayor escala, con el objetivo de obtener productos de interés industrial como medicamentos, combustibles, plásticos, etc.

Tipos de biocatálisis según su catalizador biológico

Existen diversos tipos de biocatálisis que se diferencian en función del tipo de catalizador biológico empleado:

Enzimas aisladas

Diferentes clases de enzimas pueden catalizar una amplia variedad de reacciones químicas, como oxidaciones, reducciones, adiciones, eliminaciones, etc.

Una enzima muy utilizada en biocatálisis es la lipasa. Con ella se puede producir ácido láctico a partir de lactosa, un azúcar presente en la leche, con fines industriales, farmacéuticos y alimentarios.

Biocatálisis con células enteras

Además de las enzimas aisladas, se pueden utilizar células microbianas vegetales o animales completas como catalizadores.

Un ejemplo es el del uso de la levadura Saccharomyces cerevisiae y sus enzimas para convertir los azúcares en etanol, algo muy común en la producción de combustibles alternativos, pero también en bebidas alcohólicas como vino y cerveza.

Orgánulos celulares

Algunos orgánulos o estructuras subcelulares, como mitocondrias, cloroplastos o microsomas, también pueden utilizarse como catalizadores.

Con los cloroplastos, unas pequeñas estructuras que se encuentran dentro de las células de las plantas y las algas, se puede producir hidrógeno de forma natural y aprovecharlo como combustible limpio (y renovable).

Así, utilizando el proceso de fotosíntesis que ocurre dentro de los cloroplastos, se puede producir hidrógeno de forma natural.

Para ello, lo que se hace es:

1. Extraer y aislar los cloroplastos de las células vegetales.
2. A continuación, se exponen estos cloroplastos a la luz, ya sea la luz del sol o una luz artificial.
3. Dentro de los cloroplastos, las enzimas y maquinaria fotosintética empiezan a convertir el agua en hidrógeno gaseoso.

Este hidrógeno que se va produciendo se puede ir recogiendo y almacenando para utilizarlo posteriormente como combustible, por ejemplo, en coches o en centrales eléctricas que funcionan con celdas de combustible.

Biocatálisis con extractos celulares

En lugar de células enteras, a veces se utilizan extractos o lisados celulares que contienen las enzimas y cofactores necesarios para catalizar reacciones específicas.

Utilizando solo el extracto enzimático del hígado de cobayo (sin necesidad de tener las células completas), se puede producir vitamina C o ácido ascórbico, que tiene múltiples usos en la industria farmacéutica, alimentaria y de suplementos nutricionales.

Catalizadores inmovilizados

Las enzimas, células u otros catalizadores biológicos también pueden inmovilizarse en soportes sólidos para facilitar su recuperación y reutilización en procesos industriales.

La síntesis del ácido 6-aminopenicilánico (6-APA), esencial para producir antibióticos betalactámicos como las penicilinas y cefalosporinas, se realiza mediante la biocatálisis con este tipo de catalizadores.

Otro ejemplo más común son los edulcorantes como la fructosa y la lactulosa.

Beneficios y aplicaciones de la biocatálisis

Las ventajas de la biocatálisis se han visto, sobre todo, a raíz de su evolución a partir de la catálisis química tradicional.

Y es que esta forma de catálisis a menudo requería condiciones más extremas, como altas temperaturas y presiones, lo que aumentaba el consumo energético y la generación de residuos.

Además, sus catalizadores solían ser metálicos, orgánicos o inorgánicos (sustancias sintéticas) que contribuían al mayor impacto ambiental de esta técnica.

Sin embargo, con la biocatálisis:

• Se consigue una mayor pureza de los productos, gracias a que las reacciones catalizadas por enzimas en la biocatálisis son altamente quimio-, regio- y enantio-específicas.
• La cinética es más rápida y, por lo tanto, se necesita menos tiempo de reacción.
• Las reacciones se producen bajo temperaturas, presiones y niveles de pH más moderados, y que consumen menos recursos.
• Se generan menos residuos tóxicos y se minimiza el impacto ambiental.
• Los procesos son más eficientes y escalables a nivel industrial.

En definitiva, el cambio hacia catalizadores biológicos o naturales ha permitido que la catálisis sea una técnica menos invasiva para el medioambiente y que se haya generalizado su uso en la industria.

Aplicaciones de la biocatálisis

Las industrias en las que ya es común el uso de técnicas de biocatálisis son, por ejemplo, las siguientes:

• Industria farmacéutica: para la síntesis de fármacos y compuestos farmacéuticos de alta pureza.
• Industria química: para la generación de materias primas químicas especializadas.
• Industria de biocombustibles: para la conversión de biomasa en biocombustibles como el bioetanol.
• Industria alimentaria: se utiliza para la mejora de las propiedades nutricionales y funcionales de los alimentos.
• Industria cervecera: sirve para el desarrollo de nuevos estilos de cerveza mediante la mezcla de diferentes cepas de levaduras.
• Industria vinícola: para la producción de aditivos y mejoradores de sabor naturales para vinos y otros productos derivados de la uva.
• Industria textil: mejora de la superficie de las fibras, potenciando su suavidad, brillo y absorbencia sin dañar la estructura.
• Industria de tratamiento de residuos: sirve para la transformación de compuestos tóxicos, como fenoles, colorantes, pesticidas y otros xenobióticos, en productos menos dañinos o incluso biodegradables.

Pero hay muchas más, y conocer la gran variedad de productos que se pueden obtener a partir de la biocatálisis es fascinante.

Ahora que ya sabes qué es la biocatálisis y cuáles son sus posibles aplicaciones, quizás te interese profundizar en este tipo de temas.

Para ello, nuestro Máster en Bioestadística y Bioinformática puede ser una magnífica opción, ya que dedica su primer módulo al estudio de la Bioquímica y Biología Molecular.

Además, incluye prácticas en empresas, para que vayas más allá de la teoría, y te garantiza una doble titulación acreditada por la UCAM (Universidad Católica de Murcia).

Si quieres más información sin compromiso, puedes pedírnosla a través del formulario de contacto que encontrarás en esta página.

¡Estaremos encantados de ayudarte!