Mayor estabilidad y reutilización de una lacasa metagenómica mediante inmovilización en sílice mesoporosa funcionalizada para la eliminación de antibióticos contaminantes

Por qué importan los restos de medicamentos en el agua

Antibióticos como la tetraciclina y la doxiciclina se usan ampliamente en hospitales, clínicas y explotaciones ganaderas. Gran parte de cada dosis sale del cuerpo sin cambiar y acaba en aguas residuales, ríos y suelos, donde puede dañar microbios beneficiosos y favorecer la aparición de bacterias resistentes a los fármacos. Este estudio explora un nuevo material basado en enzimas diseñado para eliminar estos antibióticos persistentes del agua de manera más eficiente y reutilizable, apuntando a sistemas de tratamiento más limpios y sostenibles.

Un limpiador natural recibe ayuda

Las lacasas son enzimas producidas por microbios y hongos que actúan como pequeñas máquinas de oxidación, capaces de descomponer muchos compuestos complejos. Sin embargo, en disolución, las moléculas de lacasa son frágiles: pierden actividad a altas temperaturas, resultan difíciles de recuperar tras su uso y pueden simplemente arrastrarse. Los investigadores trabajaron con una lacasa particularmente resistente, llamada PersiLac1, descubierta a partir de ADN ambiental (metagenómico) en lugar de un microbio cultivado. Su objetivo fue anclar firmemente esta enzima a un soporte sólido para que fuera más fácil de manejar, más duradera y mejor adaptada a la eliminación de contaminación por antibióticos.

Construyendo un andamiaje poroso para la enzima

Para alojar la lacasa, el equipo eligió SBA‑15, un tipo de sílice con una red ordenada de diminutos canales y una gran superficie interna, que recuerda a una esponja a escala nanométrica. Primero decoraron la superficie de este material con grupos imidazol—pequeños “ganchos” orgánicos que ayudan a formar enlaces fuertes con proteínas—creando un portador funcionalizado llamado Im@SBA‑15. Cuando PersiLac1 se mezcló con esta sílice modificada, la enzima quedó unida covalentemente, produciendo un nuevo material híbrido denominado LAC@Im@SBA‑15. Pruebas de microscopía y espectroscopía confirmaron que la estructura porosa básica de SBA‑15 se conservó mientras se introducían con éxito los grupos orgánicos y la enzima.

Mejor rendimiento en condiciones exigentes

La lacasa inmovilizada se comportó de forma diferente a la enzima libre en solución. Ambas mostraron su máximo rendimiento alrededor de 50 °C y pH 6, pero la enzima anclada conservó más actividad a temperaturas más altas y en un rango de pH más amplio. Las pruebas de pérdida de enzima, conocidas como lixiviación, mostraron que solo alrededor del 10% de PersiLac1 se desprendió después de varias horas a temperatura ambiente y aproximadamente el 22% tras calentar a 80 °C, lo que indica una unión firme al soporte. Al enfrentarse a tetraciclina y doxiciclina, la forma inmovilizada eliminó sustancialmente más antibiótico durante 24 horas que la enzima libre: alrededor del 54% de la tetraciclina y el 77% de la doxiciclina a 350 mg/L, niveles típicos de efluentes muy contaminados.

Manejo de mayores niveles de contaminación y reutilización

Las aguas residuales reales pueden contener niveles de antibióticos mucho más altos que las pruebas de laboratorio estándar. Por ello, el equipo aumentó la concentración inicial hasta 200–300 mg/L. Mientras la lacasa libre tuvo dificultades a medida que las concentraciones aumentaban, la enzima inmovilizada mantuvo o incluso mejoró su eficiencia de eliminación, alcanzando alrededor del 44% para ambos antibióticos a 200 mg/L y mostrando mejor rendimiento que la forma libre en los niveles más altos ensayados. Igualmente importante, el material híbrido podía recuperarse, lavarse y utilizarse de nuevo. Tras diez ciclos de tratamiento con niveles bajos de antibiótico (25 mg/L), conservó más del 83% de su actividad inicial para la doxiciclina y el 73% para la tetraciclina, lo que sugiere que un sistema así podría operar repetidamente sin reemplazar constantemente la enzima.

Promesa y siguientes pasos para agua más limpia

En términos sencillos, los investigadores han construido un “filtro enzimático” reutilizable que es más estable y eficaz que la misma enzima en solución libre. Anclando una lacasa resistente, derivada de metagenomas, a un soporte mineral poroso cuidadosamente diseñado, lograron una eliminación significativa de dos antibióticos de uso generalizado, incluso a concentraciones altas y tras numerosos ciclos de uso. El trabajo se realizó en disoluciones de prueba simplificadas, por lo que el siguiente reto es comprobar el rendimiento de este material en aguas residuales reales, donde están presentes muchas otras sustancias y los productos de degradación también deben evaluarse por seguridad. Aun así, esta plataforma híbrida enzima‑sílice representa un paso prometedor hacia tecnologías más verdes para mantener nuestros sistemas de agua libres de residuos farmacéuticos persistentes.

Cita: Ariaeenejad, S., Abedanzadeh, S. Enhanced stability and reusability of metagenomic laccase via immobilization on functionalized mesoporous silica for antibiotic contaminant removal. Sci Rep 16, 9933 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40065-w

Palabras clave: contaminación por antibióticos, inmovilización de enzimas, lacasa, tratamiento de aguas residuales, sílice mesoporosa