14.11: Procesos de Bioconversión para Químicos Sintéticos
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La mayoría de las operaciones bioquímicas descritas hasta ahora en este capítulo se refieren a productos naturales que, por su naturaleza, se esperaría que fueran susceptibles a la acción de las enzimas. Las condiciones suaves en las que operan las enzimas, los reactivos seguros y fácilmente disponibles que emplean, como el O 2 molecular para oxidaciones, y la alta especificidad de los catalizadores enzimáticos hacen que las reacciones biocatalizadas sean atractivas para llevar a cabo procesos químicos sobre productos químicos sintéticos, como los de fuentes de petróleo. En esta sección se discuten dos ejemplos de procesos catalizados por enzimas aplicados a procesos químicos sobre químicos sintéticos que de otro modo tendrían que realizarse con reactivos químicos en condiciones mucho más severas.
Ácido p-hidroxibenzoico de tolueno
El potencial de uso de la biosíntesis aplicada a productos químicos sintéticos puede ilustrarse mediante la síntesis de ácido p-hidroxibenzoico
un intermedio importante utilizado en la síntesis de productos farmacéuticos, pesticidas, colorantes, conservantes y polímeros de cristal líquido que se fabrican actualmente haciendo reaccionar fenolato de potasio,
con dióxido de carbono a alta presión a 220° C, lo que convierte ligeramente menos de la mitad del fenolato de potasio en el producto deseado y produce impurezas sustanciales. El proceso se remonta a principios de la década de 1860 hace casi 150 años, mucho antes de que existieran consideraciones de contaminantes y desechos. Requiere condiciones severas y produce desechos metálicos y fenólicos. El polvo de alúmina reactiva (Al 2 O 3) utilizado para catalizar el proceso ha sido implicado en una explosión de 1995 en una instalación para producir ácido p- hidroxibenzoico que mató a 4 trabajadores.
Se ha intentado una alternativa biosintética a la síntesis descrita anteriormente con bacterias Pseudomonas putida genéticamente modificadas para llevar a cabo varias etapas en la síntesis de ácido p-hidroxibenzoico partiendo de tolueno. Una clave del proceso es la unión en la posición para sobre tolueno de un grupo hidroxilo por la acción del sistema enzimático tolueno-4-monooxigenasa (T4MO) transferido a Pseudomonas putida de Pseudomonas mendocina:
La siguiente etapa se lleva a cabo mediante la enzima p-cresol metilhidroxilasa (PCMH) de una cepa de Pseudomonas putida que produce alcohol p-hidroxibencílico seguido de conversión a p-hidroxibenzaldehído:
La última etapa se lleva a cabo mediante una enzima aldehído deshidrogenasa aromática denominada PHBZ también obtenida de una cepa de Pseudomonas putida y consiste en la conversión del aldehído en el producto ácido p- hidroxibenzoico:
A través de una elegante manipulación genética, se lograron los procesos químicos descritos anteriormente que condujeron al producto deseado. Además de proporcionar las enzimas para llevar a cabo las etapas deseadas, también fue crucial bloquear etapas que consumirían intermedios y darían subproductos no deseados que consumirían materia prima y requerirían separación del producto. Si bien está muy lejos de demostrar que el complejo proceso de síntesis bioquímica realmente da el producto deseado hasta el objetivo final de tener un proceso práctico que pueda ser utilizado a gran escala, los resultados descritos anteriormente ciertamente muestran la promesa de los organismos transgénicos en la realización de productos químicos síntesis.
Producción de 5-cianovaleramida
El segundo proceso biocatalizado a considerar es la conversión de adiponitrilo a 5-cianovaleramida. Esta conversión fue necesaria para la síntesis de un nuevo químico utilizado para la protección de cultivos. Este proceso se puede llevar a cabo químicamente con una mezcla estequiométrica de adiponitrilo con agua y un catalizador de dióxido de manganeso bajo presión a 130° C como se muestra en la siguiente reacción:
Si la reacción se lleva a cabo hasta un 25% de terminación, se logra una selectividad de 80% para la 5-cianovaleramida, y la otra fracción del adiponitrilo que reacciona va a adipamida, en la que el segundo grupo funcional C=N se convierte en un grupo amida. Llevar la reacción más allá del 25% de finalización resultó en niveles inaceptables de conversión a subproducto adipamida.
El aislamiento del producto 5-cianovaleramida a partir de la síntesis química descrita anteriormente implica disolver la mezcla de reacción caliente en disolvente de tolueno, que luego se enfría para precipitar el producto. El adiponitrilo sin reaccionar permanece en solución de tolueno de la cual se recupera para reciclar de nuevo a través de la reacción. Por cada kilogramo de producto de 5-cianovaleramida aislado, aproximadamente 1.25 kg de MnO 2 requirieron eliminación; ¡esto definitivamente no es un proceso químico verde!
Como alternativa a la síntesis química descrita anteriormente, se desarrolló una síntesis bioquímica utilizando organismos que tenían enzimas nitrilo hidratasa para convertir el grupo funcional C=N en el grupo amida. 2 El microorganismo elegido para esta conversión se denominó Pseudomonas chloroaphis B23. Las células de este organismo se inmovilizaron en perlas de alginato de calcio, la sal de ácido algínico aislada de las paredes celulares de algas marinas. Fue necesario ejecutar el proceso a 5° C por encima de la cual la enzima perdió su actividad. Con esta restricción, se realizaron múltiples corridas para convertir adiponitrilo en 5-cianovaleramida. Durante estos ensayos, 97% del adiponitrilo reaccionó y solo 4% de la reacción iba a producir el subproducto adipamida. La mezcla de reacción a base de agua simplemente se separó mecánicamente de las perlas de alginato de calcio que contenían los microorganismos, las cuales luego se reciclaron para el siguiente lote de reactivo. El agua se destiló del producto para dejar un aceite del cual el producto de 5-cianovaleramida se disolvió en metanol, dejando atrás adipamida y otros subproductos. En contraste con la enorme cantidad de catalizador residual producido en la síntesis química de 5-cianovaleramida, solo se produjeron 0.006 kg de residuo de catalizador por kg de producto. El catalizador microbiano de desecho fue 93% de agua, por lo que su eliminación no fue un problema.