Los microbios genéticamente modificados, como las bacterias y las levaduras, se han utilizado durante mucho tiempo como fábricas vivas para producir drogas y productos químicos finos. Más recientemente, los investigadores han comenzado a combinar bacterias con tecnología de semiconductores que, de forma similar a los paneles solares en el techo de una casa, cosechanenergía de la luz y, cuando se acopla a la superficie de los microbios, puede aumentar su potencial biosintético.
Los primeros "sistemas híbridos biológico-inorgánicos" biohíbridos se centraron principalmente en la fijación del dióxido de carbono atmosférico y la producción de energías alternativas, y aunque prometedores, también revelaron desafíos clave. Por ejemplo, los semiconductores, que están hechos de sustancias tóxicaslos metales, hasta ahora, se ensamblan directamente en células bacterianas y a menudo los dañan en el proceso. Además, el enfoque inicial en los microbios fijadores de carbono ha limitado la gama de productos a moléculas relativamente simples; si se pudieran crear biohíbridos basados en microorganismos equipados conmetabolismos más complejos, abriría nuevos caminos para la producción de una gama mucho más amplia de productos químicos útiles para muchas aplicaciones.
Ahora, en un estudio en ciencia , un equipo multidisciplinario dirigido por el miembro principal de la facultad Neel Joshi y los becarios postdoctorales Junling Guo y Miguel Suástegui en el Instituto Wyss de Ingeniería Biológica de Harvard y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson SEAS presenta una solución altamente adaptable a estosdesafíos
"Si bien nuestra estrategia se basa conceptualmente en sistemas biohíbridos bacterianos anteriores que fueron diseñados por nuestro colaborador Daniel Nocera y otros, ampliamos el concepto a la levadura, un organismo que ya es un caballo de batalla industrial y es genéticamente fácil de manipular, con uncomponente semiconductor modular que proporciona energía bioquímica a la maquinaria metabólica de la levadura sin ser tóxico ", dijo Joshi, Ph.D., quien es miembro de la Facultad del Instituto Wyss y Profesor Asociado de SEAS. El coautor Nocera es el Profesor de Patterson Rockwood deEnergía en la Universidad de Harvard. Como resultado de las manipulaciones combinadas, la capacidad de las levaduras para producir ácido shikimico, un precursor importante del medicamento antiviral Tamiflu, varios otros medicamentos, nutracéuticos y productos químicos finos, se mejoró significativamente.
La levadura de panadero Saccharomyces cerevisiae produce naturalmente ácido shikimico para generar algunos de sus componentes básicos para la síntesis de proteínas y otras biomoléculas. Sin embargo, al modificar genéticamente el metabolismo central de la levadura, los investigadores permitieron que las células canalizaran más átomos de carbono que su principal fuente de nutrientes,el azúcar glucosa, contiene en la vía que produce ácido shikimico y previene la pérdida de carbono a vías alternativas al interrumpir una de ellas.
"En principio, el aumento del 'flujo de carbono' hacia el ácido shikimico debería conducir a niveles más altos de producto, pero en las células de levadura normales, la vía alternativa que interrumpimos para aumentar los rendimientos, lo que es importante, también proporciona la energía necesaria para alimentar el paso finalde la producción de ácido shikimico ", dijo el coprimer autor Miguel Suástegui, Ph.D., ingeniero químico y ex becario postdoctoral en el equipo de Joshi y ahora científico en Joyn Bio LLC. Para impulsar el shikimic de ingeniería más eficiente en carbono pero con menos energía.vía ácida, "planteamos la hipótesis de que podríamos generar la molécula NADPH que transporta energía relevante en su lugar en un enfoque biohíbrido con semiconductores de captación de luz".
Hacia este objetivo, Suástegui colaboró con Junling Guo, Ph.D., el otro autor co-corresponsal y coprimer autor del estudio y actualmente becario postdoctoral con experiencia en química y ciencia de materiales en el laboratorio de Joshi. Diseñaron una estrategia que utilizafosfuro de indio como material semiconductor ". Para hacer que el componente semiconductor sea verdaderamente modular y no tóxico, recubrimos las nanopartículas de fosfuro de indio con un" pegamento "a base de polifenoles naturales, que nos permitió unirlas a la superficie de las células de levadura mientras estábamosal mismo tiempo aislando las células de la toxicidad del metal ", dijo Guo.
Cuando están atados a la superficie celular e iluminados, las nanopartículas de semiconductores recogen electrones energía de la luz y los entregan a las células de levadura, que los transportan a través de sus paredes celulares hacia su citoplasma. Allí los electrones elevan los niveles de las moléculas de NADPH, que ahora puede alimentar la biosíntesis del ácido shikimico ". Las células biohíbridas de levadura, cuando se mantuvieron en la oscuridad, produjeron principalmente moléculas orgánicas más simples como el glicerol y el etanol; pero cuando se expusieron a la luz, cambiaron fácilmente al modo de producción de ácido shikimic con un 11-Aumento de los niveles del producto, lo que nos muestra que la transferencia de energía de la luz a la célula funciona de manera muy eficiente ", dijo Joshi.
"Este enfoque escalable crea un espacio de diseño completamente nuevo para futuras tecnologías biohíbridas. En los esfuerzos futuros, la naturaleza de los semiconductores y el tipo de células de levadura genéticamente modificadas se puede variar de forma plug-and-play para expandir el tipo de fabricaciónprocesos y gama de bioproductos ", dijo Guo.
"La creación de dispositivos celulares vivos y de recolección de luz podría cambiar fundamentalmente la forma en que interactuamos con nuestro entorno natural y permitirnos ser más creativos y efectivos en el diseño y la producción de energía, medicamentos y productos químicos", dijo el Instituto WyssDirector Fundador Donald Ingber, MD, Ph.D., quien también es el Profesor de Biología Vascular Judah Folkman en HMS y el Programa de Biología Vascular en el Hospital de Niños de Boston, así como Profesor de Bioingeniería en SEAS.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Original escrito por Benjamin Boettner. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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