Ingeniería de enzimas motivó tesis destacada por la Dirección de Postgrado UdeC

Calidad, colaboración internacional e impacto en la sociedad son los indicadores con los que el comité académico del Concurso de Tesis Doctorales evalúa los trabajos de investigación desarrollados por quienes alcanzaron el máximo grado académico durante el último año en la Universidad de Concepción, UdeC.  

Esta instancia, organizada por la Dirección de Postgrado de la UdeC, busca reconocer investigaciones de excelencia que aportan al desarrollo científico, tecnológico y humanístico del país, en todos los ámbitos del conocimiento.   

Entre los/as flamantes Doctores/as reconocidas/os en esta oportunidad, estuvo el Doctor en Ciencias con mención en Química Carlos Castillo Orellana, quien desarrolló su tesis doctoral bajo la dirección del Dr. Esteban Vöhringer-Martinez del Departamento de Físico-Química de la Facultad de Ciencias Químicas.  

Nuevo método de desarrollo para los catalíticos del futuro 

En su tesis, explica el Dr. Castillo, se “desarrolló una metodología alternativa basada en simulaciones de mecánica molecular con transformaciones alquímicas de no-equilibrio para predecir el cambio en la energía libre de activación (ΔΔG‡) causado por mutaciones”.  

“La descripción clásica de las interacciones moleculares”, profundizó el científico, “hace a este método, al menos, un orden de magnitud más rápido que los enfoques cuánticos. El estado de transición se modeló a través de campos de fuerza donde los parámetros enlazantes son obtenidos a partir de la matriz Hessiana y una modificación del método Seminario. Las interacciones no enlazantes de tipo electrostáticas y de dispersión-repulsión se obtuvieron de la densidad electrónica mediante el esquema MBIS, basado en la teoría de átomos-en-moléculas. La estrategia se validó en las enzimas crotonil-CoA carboxilasa/reductasa y dihidrofolato reductasa, demostrando que las transformaciones alquímicas reproducen valores experimentales al alcanzar la precisión química (1 kcal/mol)”. 

“Una vez validada la metodología”, detalló el Dr. Castillo, “se aplicó a una enzima diseñada artificialmente, la variante Y187F de Old Yellow Enzyme (OYE), que cataliza una reacción aldólica. Las transformaciones alquímicas predijeron variantes más activas, destacando la doble mutante Y187F/T130W con un ΔΔG‡ de -8.8 kJ/mol que coincide con resultados experimentales obtenidos por nuestros colaboradores del Instituto Max Planck en Marburgo, Alemania”. 

“En resumen, esta tesis demuestra que las transformaciones alquímicas permiten predecir variantes de enzimas con actividad catalítica aumentada a una precisión cercana a los métodos cuánticos, pero a una fracción de su costo computacional, abriendo la posibilidad de aplicar búsquedas masivas de nuevas variantes y ampliando el set de herramientas de la ingeniería de enzimas para el desarrollo de los catalizadores del futuro”, afirmó el Dr. Castillo.  

Temprana incursión en la actividad científica 

En cuanto a la distinción recibida por parte de la Dirección de Postgrado UdeC, el Dr. Castillo sostuvo que “es un honor haber sido reconocido como uno de los ganadores, en particular, me siento muy contento porque se haya visibilizado y premiado un trabajo en el área de la química teórica computacional. Este trabajo implicó un gran esfuerzo en comprender, implementar y aplicar distintas herramientas del área de las matemáticas, la física y la química para luego ser llevados a una problemática bioquímica/biotecnológica. Generalmente esa transición es lenta y no siempre se puede lograr, por lo tanto, no es sencillo que metodologías computacionales alcancen un impacto real en otras áreas más biológicas o aplicadas y muy a menudo termina generando una investigación más de nicho”.  

“Afortunadamente”, profundizó, “nosotros teníamos respaldo experimental tanto de la literatura, como también de nuestros colaboradores del instituto Max Planck de microbiología terrestre de Malburgo, Alemania, quienes nos brindaron datos experimentales de enzimas mutantes que no solo nos permitió validar nuestra metodología, sino que también aplicarla a un caso de estudio que ellos realizaban y exitosamente logramos encontrar una variante que era catalíticamente más rápida. Haber obtenido esta distinción siento que reconoce todo el esfuerzo anteriormente mencionado y premia el trabajo en un área que logró conectar ciencia básica con ciencia aplicada por lo que me pone muy contento”. 

“Aprovecho de agradecer a mi profesor tutor el Dr. Esteban Vöhringer-Martinez quien me guio durante toda mi formación de pregrado y posgrado”, agregó el flamante Doctor. “Agradecer también a la Dra. Farnaz Heidar-Zadeh de la universidad de Queen’s en Kingston, Canadá, quien fue simbólicamente una co-tutora ya que me formó durante mi estadía doctoral en Canadá, donde pude fortalecer mis conocimientos en mecánica cuántica, matemáticas y programación, lo que fue indispensable para poder llevar a cabo mi trabajo de tesis”. 

“Finalmente, me gustaría agradecer a la Universidad de Concepción por su compromiso continuo con la formación. Probablemente, este campus ha sido el lugar en el que más tiempo de mi vida he pasado. Comencé a asistir a la universidad en 6to básico por medio del programa Talentos UdeC, en el cuál participé hasta 4to medio. Este programa despertó mi interés por la bioquímica, razón por la cual en 2015 ingresé a Bioquímica en la Facultad de Farmacia y, dada la sólida formación que se entrega, en tercer año me uní al laboratorio del Dr. Vöhringer-Martinez donde comencé a formarme como químico teórico”. 

“Finalizando mi tesis de pregrado”, detalló, “entré al Doctorado en Ciencias con mención en Química en el que nuevamente las asignaturas básicas del programa me permitieron explorar el estado del arte de distintas teorías, y aplicarlas a mi proyecto, lo que nos permitió publicar nuestro trabajo en revistas tan exigentes como la Journal of Chemical Theory and Computation y Chemical Communications. Esto demuestra el nivel de formación que genera la universidad tanto a nivel de posgrado como pregrado e incluso antes, por lo que siempre estaré agradecido de las herramientas que me entregó esta universidad”.