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Making a drug or a food flavouring often means oxidising alcohols, a step chemists usually perform with harsh oxidants at high temperatures, which leaves toxic waste behind. Living organisms offer a gentler route. Fungi produce galactose oxidases, enzymes that carry out the same reactions on alcohols and simple sugars under mild conditions, using oxygen. Until now, the best-characterised versions came from fungi. A team at the Instituto de Tecnologia Química e Biológica António Xavier of NOVA University Lisbon (ITQB NOVA), in Portugal, has now described the first galactose oxidase found in bacteria, which it calls PsGalOx.
Fabricar un fármaco o un saborizante alimentario suele implicar oxidar alcoholes, un paso que los químicos realizan habitualmente con oxidantes agresivos a altas temperaturas, lo que deja residuos tóxicos. Los organismos vivos ofrecen una vía más suave. Los hongos producen galactosa oxidasas, enzimas que llevan a cabo las mismas reacciones sobre alcoholes y azúcares simples en condiciones suaves, usando oxígeno. Hasta ahora, las versiones mejor caracterizadas procedían de hongos. Un equipo del Instituto de Tecnología Química y Biológica António Xavier de la Universidad Nova de Lisboa (ITQB NOVA), en Portugal, ha descrito ahora la primera galactosa oxidasa hallada en bacterias, a la que denomina PsGalOx.
The enzyme was hard to work with for years. "For several years, the enzyme proved exceptionally difficult to produce in a soluble form and therefore to characterize," says Lígia Martins, who leads the Microbial & Enzyme Technology laboratory at ITQB NOVA. What changed was AlphaFold, an AI system whose structure predictions helped the team see the enzyme's unusual architecture and identify changes that could improve its production. The bacterial version carries two nearly identical sugar-binding modules next to its catalytic module, a feature the best-known fungal versions do not have. Tomás Frazão, a doctoral student and one of the paper's first authors, says the two copies, which share about 80% sequence identity, have distinct jobs: one enhances sugar binding, the other mainly contributes to protein stability. The team thereby challenges the common assumption that such modules are interchangeable.
La enzima fue difícil de trabajar durante años. «Durante varios años, la enzima resultó excepcionalmente difícil de producir en forma soluble y, por tanto, de caracterizar», explica Lígia Martins, responsable del laboratorio de Tecnología Microbiana y Enzimática del ITQB NOVA. Lo que cambió fue AlphaFold, un sistema de IA cuyas predicciones de estructuras ayudaron al equipo a ver la arquitectura inusual de la enzima e identificar cambios que podían mejorar su producción. La versión bacteriana lleva dos módulos de unión a azúcares casi idénticos junto a su módulo catalítico, una característica que no tienen las versiones fúngicas mejor conocidas. Tomás Frazão, doctorando y uno de los primeros autores del artículo, explica que las dos copias, que comparten alrededor de 80 % de identidad de secuencia, tienen funciones distintas: una mejora la unión al azúcar y la otra contribuye sobre todo a la estabilidad de la proteína. Así, el equipo cuestiona la idea comúnmente aceptada de que estos módulos son intercambiables.
The researchers then applied directed evolution, which recreates natural selection in the lab: they introduced mutations and screened thousands of bacterial colonies for better variants. The similar modules recombined into single hybrid modules, and these variants produced more soluble protein. The team also found that higher activity did not necessarily mean the enzyme had become a better catalyst; much of the improvement came from cells making more of it, and recognising that was key to further progress. The final variant is 40 to 1,800 times more efficient at processing a range of sugars and alcohols.
Los investigadores aplicaron después evolución dirigida, que reproduce en laboratorio la selección natural: introdujeron mutaciones y examinaron miles de colonias bacterianas en busca de variantes mejores. Los módulos similares se recombinaron en módulos híbridos únicos, y estas variantes produjeron más proteína soluble. El equipo también comprobó que una mayor actividad no significaba necesariamente que la enzima se hubiera convertido en un catalizador mejor; buena parte de la mejora provino de células que producían más enzima, y reconocerlo fue clave para avanzar. La variante final es entre 40 y 1.800 veces más eficiente para procesar una serie de azúcares y alcoholes.
For chemists and manufacturers, the gain is a potentially cleaner way to make intermediates that feed food, drug and materials production, since the reaction runs under mild conditions with oxygen. Who benefits, and when, is not yet settled. The team plans to keep engineering PsGalOx to act on "substrates of practical interest", aiming at a versatile intermediate for food, pharmaceutical and materials applications, and it wants to map the evolutionary diversity of bacterial oxidases. No industrial partner and no commercial date have been announced.
Para químicos y fabricantes, la ganancia supone una forma potencialmente más limpia de producir intermediarios que alimentan la fabricación de alimentos, fármacos y materiales, ya que la reacción se produce en condiciones suaves con oxígeno. Aún no está claro quién se beneficiará ni cuándo. El equipo prevé seguir diseñando PsGalOx para actuar sobre «sustratos de interés práctico», con el objetivo de obtener un intermediario versátil para aplicaciones alimentarias, farmacéuticas y de materiales, y quiere cartografiar la diversidad evolutiva de las oxidasas bacterianas. No se han anunciado ni un socio industrial ni una fecha comercial.
The limits are clear. Every result comes from laboratory work, the 40 to 1,800 range spans many different substrates rather than one product, and the enzyme has not yet been reported in an industrial process. The next test is whether the same gains hold on the sugars and alcohols that manufacturers actually need.
Los límites son claros. Todos los resultados proceden de trabajo de laboratorio, el rango de 40 a 1.800 veces abarca muchos sustratos distintos en lugar de un solo producto, y la enzima aún no ha sido reportada en ningún proceso industrial. La siguiente prueba será comprobar si las mismas ganancias se mantienen con los azúcares y alcoholes que los fabricantes necesitan realmente.