Análisis y estudio de biosistemas

HidrogEnasa Fe-Fe

Análisis y estudio de biosistemas Grupo 101 Elaboró: Estefanía Alexia Anaid Villegas Esquivel A01369242 Ana Cristina Lagarda Perz A01772689 Carolina Álvarez Marín A01769638 Profesor: Juan Jesús Cruz Maldonado 14 de marzo del 2025

Análisis y estudio de biosistemas

Hidrógeno Verde con Enzimas: Innovación Biotecnológica

Resumen

Los métodos tradicionales de producción de hidrógeno requieren de mucha electricidad y necesitan de catalizadores costosos. Para hacer del hidrógeno una mejor alternativa, se propone el uso de hidrogenasa [FeFe] proveniente de Clostridium pasteurianum, cuya constante catalítica de 100-500 s⁻¹ la hace destacar. En su organismo de origen, tiene un papel importante en el equilibrio redox al tomar electrones y formar hidrógeno molecular.Se planea tener un cultivo de este organismo a 30-37 °C y pH 6-7, condiciones que favorecen la expresión de la enzima. Posteriormente, para extraerla, se realizará una lisis por sonicación y la purificación se llevará a cabo mediante precipitación con sulfato de amonio y cromatografía de intercambio aniónico.

Introducción/Justificación

Panorama general de la problemática

Propuesta de solución

Relevancia de resolver el problema

Características de la enzima

La caracterización de la ferredoxina hidrogenasa es crucial para comprender su eficiencia catalítica, estabilidad y condiciones óptimas de actividad. Esto permite optimizar su uso en la producción biotecnológica de hidrógeno, asegurando su rendimiento en condiciones industriales.

Propiedades

Papel en el Metabolismo

Reacción

Parámetros

Producción, purificación y caracterización de la enzima

Producción y Purificación

Ensayo cinético

Normatividad y principios de sustentabilidad asociados

Listado de normativas aplicables

Propuesta de métricas o indicadores

Impacto en las dimensiones del desarrollo sustentable

conclusiones

referencias

Este trabajo propone el uso de la ferredoxina hidrogenasa de Clostridium pasteurianum como una alternativa biotecnológica para la producción de hidrógeno. Esta enzima cataliza la conversión de protones en hidrógeno molecular bajo condiciones más sostenibles, con menor impacto ambiental y costos más bajos. Su implementación podría mejorar la eficiencia del proceso y acercarnos a un modelo energético más limpio y accesible.

Para alcanzar una transición energética más limpia, es crucial desarrollar alternativas de producción de hidrógeno más eficientes y sostenibles. La producción biotecnológica mediante enzimas permite generar hidrógeno sin necesidad de procesos altamente demandantes en energía ni metales preciosos, alineándose con objetivos de sustentabilidad.

I. Reacción Catalizada: La ferredoxina hidrogenasa cataliza la reacción reversible de conversión de protones en hidrógeno molecular. Esta reacción es clave en el metabolismo anaerobio, facilitando la producción y consumo de hidrógeno molecular.

El uso de ferredoxina hidrogenasa para la producción de hidrógeno se alinea con múltiples Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), contribuyendo a un modelo energético más limpio y accesible.Ambiental: Reducir las emisiones de carbono al reemplazar procesos convencionales con biotecnología limpia (ODS 13: Acción por el clima). También contribuye al ODS 7 al promover energía limpia y asequible.Económico: Disminución de costos asociados al uso de catalizadores metálicos, promoviendo tecnologías accesibles y viables para su uso en la industria energética (ODS 7: Energía asequible y no contaminante).Social: La implementación de esta tecnología puede mejorar la calidad del aire y disminuir los riesgos para la salud pública relacionados con las emisiones contaminantes (ODS 3: Salud y bienestar).

La demanda de hidrógeno como fuente de energía renovable ha crecido debido a su potencial para reducir la dependencia de combustibles fósiles. Sin embargo, los métodos convencionales de producción, como la electrólisis y el reformado de gas natural, requieren altos costos energéticos y el uso de catalizadores metálicos costosos, lo que limita su sostenibilidad y viabilidad a gran escala.

Ensayo cinético

Para medir la actividad enzimática se decidió imitar el proceso que sucede in vivo desde la glucolisis hacia el camino de las pentosas fosfato donde el nadph es reducido y sus electrones son aprovechados por hidrogenasa fefe para producir hidrógeno molecular. Lo cual es medido mediante una cromatografía de intercambio de gases al cuantificar la catidad de hidrógeno producida en un ambiente de 98% nitrógeno.Las concentraciones de los reactantes son 25 mM Tris pH 7, 100 μM FNR, 80 μM oxidized Fd, 2 μM hydrogenasa fefe, 15 mM glucosa-6-fosfato (G6P), y 7 mM NADPH.

Figura 1. Diagrama de flujo para el ensayo de actividad enzimática propuesto por Lu et al, 2015. La FNR toma como sustrato al NADPH para reducirla y producir un hidrogenión. Mientras que la deshidrogenasa toma como sustrato al producto de la reacción anterior y lo transforma en hidrógeno molecular.

Producción y purificación

Para su obtención se planea tener un cultivo del organismo de origen en medio GS2 en un ambiente anaeróbico para evitar su oxidación e inhibición, desde 30-37 °C y con pH 6.0-7.0, usando glucosa o almidón como fuente de carbono.

Una vez que la célula alcance la máxima expresión de la hidrogenasa fefe se procederá a realizar una lisis por sonicación que es el primer paso para aislar, extraer y purificar proteínas. Este método fue elegido gracias a que minimiza la contaminación y es rápido

Por último se emplearan dos metodos para purificar la enzima. El primero es la precipitación con sulfato de amonio y posteriormente se realizará una cromatografía de intercambio aniónico.

Para medir el impacto de la propuesta en términos de sustentabilidad se utilizarán los siguientes indicadores:

• Producción anual de hidrógeno renovable (kg/año).
• Reducción de emisiones de CO₂ comparado con métodos convencionales (toneladas/año).
• Costo de producción por kilogramo de hidrógeno (USD/kg).
• Número de instalaciones o sistemas industriales que adoptan la tecnología.
• Mejora en la eficiencia catalítica (kcat/Km) lograda mediante la optimización enzimática.

Este trabajo demuestra que la ferredoxina hidrogenasa de Clostridium pasteurianum es una alternativa prometedora para producir hidrógeno renovable, al ser eficiente y más económica que métodos convencionales. Su implementación contribuye a la sostenibilidad ambiental (ODS 7, 13 y 3) al reducir emisiones y costos. Sin embargo, su alta sensibilidad al oxígeno y la necesidad de mejorar su estabilidad y eficiencia industrial son desafíos pendientes. Se recomienda continuar con estudios para optimizar su aplicación a gran escala.

Regulaciones

La producción biotecnológica de hidrógeno mediante ferredoxina hidrogenasa debe cumplir con diversas normativas enfocadas en la seguridad, eficiencia y sostenibilidad del proceso. Aunque en México aún no hay normas en el extranjero las principales regulaciones aplicables son:NFPA 2 (EE.UU.) – Normativa que regula la seguridad en instalaciones de hidrógeno, incluyendo su producción, almacenamiento y distribución. Este estándar es relevante debido a la reactividad del hidrógeno y los pelígros que conlleva. Acto Delegado UE 2023 (Unión Europea) – Reglamento que define las normas para la producción de hidrógeno renovable a partir de fuentes no biológicas, asegurando que el proceso biotecnológico sea considerado una opción sostenible y regulada. IEC 62282 (Normativa Internacional) – Proporciona directrices sobre pruebas de seguridad y eficiencia en sistemas de producción de hidrógeno, garantizando la confiabilidad del proceso a nivel industrial.

Papel en Metabolismo:

En Clostridium pasteurianum, la enzima regula el equilibrio redox y participa en la fermentación anaeróbica al transferir electrones desde la ferredoxina reducida hacia los protones, generando hidrógeno molecular.

Propiedades Fisicoquímicas:

• Peso molecular: Aproximadamente 50 kDa.
• Punto isoeléctrico (pI): Entre 5 y 7.
• Condiciones óptimas de actividad:

1. pH óptimo: 6-8, con máxima actividad en condiciones neutras o ligeramente ácidas.
2. Temperatura óptima: 25-40 °C.
3. Sensibilidad al oxígeno: Altamente susceptible a la inactivación oxidativa.

• Estabilidad y almacenamiento: Se conserva en condiciones anaeróbicas y en soluciones tampón con agentes reductores.

Parámetros Cinéticos:

• Km para H₂: 10-50 µM (según la fuente biológica).
• Vmax: Variable según el organismo productor y la disponibilidad de electrones.
• kcat: Entre 100-500 s⁻¹, reflejando alta eficiencia catalítica

Para evaluar la actividad catalítica de la enzima se utilizará un ensayo que sigue la glucolosis y camino de las pentosas fosfato para producir hidrogeno moluclar a partir de NADPH. Lo cual se va a medir con la cantidad de hidrógeno producida Al ser una innovación no hay normas que la regulen en México, pero en el extrangero está la NFPA 2, el Acto Delegado UE 2023 y la IEC 62282. Al ser una alternativa amigable con el ambiente y de bajo costo esta directamente relacionada con los ODS 3, 7 y 13. Y para asegurarlo se medira con redución de CO2, producción anual y precio por kg.

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