Los científicos que diseñan microbios valiosos para combustibles renovables y bioproductos han desarrollado una forma rápida y eficiente de identificar las variedades más prometedoras.
Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign desarrollaron una nueva técnica de detección basada en la espectrometría de masas para perfilar rápidamente los ácidos grasos de cadena media producidos en la levadura, parte de un grupo más grande de ácidos grasos libres que son componentes clave en nutrientes esenciales, jabones, químicos industriales y combustibles. También identificaron siete nuevos mutantes genéticamente modificados de la levadura Saccharomyces cerevisiae que producen niveles más altos de esos ácidos grasos.
El estudio se detalla en un artículo publicado en la revista Biotecnología y Bioingeniería . La investigación fue realizada en el Centro de Innovación Avanzada de Bioenergía y Bioproductos CABBI, un Centro de Investigación de Bioenergía financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, por dos profesores de la U de I: Huimin Zhao, Profesor de Ingeniería Química y Biomolecular ChBEy Jonathan Sweedler, profesor de química y director de la Facultad de Ciencias Químicas. El autor principal es Pu Xue, un estudiante de doctorado de ChBE en el laboratorio de Zhao en CABBI.
El grupo de Zhao diseña genéticamente pequeñas células de levadura para aumentar la producción de ácidos grasos, componentes cruciales de biodiesel, alcoholes grasos, ceras y olefinas: los componentes básicos para detergentes, adhesivos y plásticos. El objetivo de CABBI es desarrollar levaduras robustas que puedan convertirbiomasa vegetal renovable para combustibles y productos químicos, como una alternativa ecológica y sostenible a los procesos de fabricación de productos químicos a base de petróleo.
Los científicos pueden crear una gran biblioteca de cepas de levadura o mutantes modificados genéticamente, produciendo varios MCFA muy rápidamente, dijo Xue. Pero su capacidad para controlar la composición exacta de MCFA producidos en estas fábricas de células microbianas es limitada, sin "alto rendimiento""forma de analizar rápidamente grandes cantidades de muestras.
Para superar esta limitación, Xue y otros investigadores trabajaron con el grupo de Sweedler para desarrollar una herramienta de detección de alto rendimiento, un enfoque de caracterización química basado en MALDI-ToF MS espectrometría de masas de tiempo de vuelo de ionización / desorción láser asistida por matrizLa espectrometría de masas es una forma rica en información para analizar muestras complejas midiendo su relación masa-carga de iones. Se dispara un láser a una colonia de levadura en un portaobjetos; el instrumento mide las masas moleculares de los lípidos en la levadura.y, por lo tanto, es capaz de identificarlos.
La mayoría de los procesos existentes para detectar o analizar ácidos grasos libres dependen de la espectrometría de masas de cromatografía de gases o líquidos más compleja, considerados los métodos estándar de oro. Pero esos métodos tienen limitaciones cuando se trata de un gran conjunto de variaciones, y la preparación de muestras es tiempo-Consumidor y mano de obra intensiva.
El enfoque general que utiliza el sistema MALDI-ToF MS es más rápido y se ha utilizado con éxito con proteínas y péptidos. El analizador de masas ToF es rápido, de costo relativamente bajo y tiene una gran ventana de detección, muy adecuado para la detección de objetivos biológicos complejos.
Pero los ácidos grasos de cadena media son altamente volátiles y livianos, lo que los hace más difíciles de detectar y cuantificar con este enfoque. Además, la gruesa pared celular de la levadura crea otro desafío para los investigadores para descomponer las composiciones celulares de manera eficiente.
Entonces, los investigadores de CABBI optimizaron los pasos de preparación de la muestra con varios solventes y matrices. Y en lugar de tratar de detectar directamente los MCFA, usaron un proxy: lípidos de membrana en células de levadura. Supusieron la hipótesis de que aumentaron los niveles de lípidos de membrana con una cadena de acilo más cortaLas fosfatidilcolinas PC, una clase de fosfolípidos, se correlacionarían con una mayor capacidad para producir MCFA, que son más cortas que los abundantes ácidos grasos que se encuentran comúnmente en S. cerevisiae .
Para validar esa hipótesis, U de I científicos compararon el perfil MALDI-ToF MS de la levadura natural con dos cepas genéticamente modificadas que previamente se descubrió que producían niveles más altos de MCFA. Los datos mostraron que estos dos mutantes tenían más del acilo más cortoPC en cadena que la levadura natural. Esos hallazgos preliminares fueron confirmados por los procesos de cromatografía líquida y espectrometría de masas de fragmentos más exactos.
Con su método de detección establecido en la mano, los miembros del equipo de CABBI se propusieron encontrar más cepas mutantes con una mayor producción de MCFA. Encontraron dos picos prominentes en el espectro de masas que estaban correlacionados con los fosfolípidos, una indicación de ácidos grasos.luego se usa como un signo de producción de MCFA.
Como señala Sweedler, "la medición de la espectrometría de masas es rápida: analiza hasta 2.000 colonias de levadura por hora aproximadamente una muestra cada dos segundos en comparación con 30 minutos por muestra con los métodos tradicionales". El tiempo de procesamiento también se acorta significativamente: de dos a tres minutos frente a tres a cuatro horas por muestra. En general, la herramienta de detección MALDI-ToF MS permite a los científicos identificar rápidamente cepas que justifican un análisis más detallado.
"Nuestro método nos permite detectar toneladas de mutantes en poco tiempo. Podemos identificar a los buenos candidatos para futuros estudios", dijo Xue.
En el futuro, el método puede modificarse y utilizarse para la detección de alto rendimiento de otros tipos de productos, como ácidos grasos de cadena más larga o alcoholes grasos, ahorrando tiempo y mano de obra.
Los investigadores esperan aprovechar su trabajo en iBioFAB de CABBI: la Fundición Biológica de Illinois para la Biofabricación Avanzada. Su sistema robótico puede acelerar la preparación de muestras y proporcionar resultados más rápidos y precisos, ayudando a ampliar el proyecto para probar muchas más cepas mutantes, Dijo Xue. Con alrededor de 6,000 genes en S. cerevisiae se podrían descubrir millones de posibles efectos y características sinérgicas.
Más allá de la ciencia, estos ácidos grasos C6 a C12 son importantes para la salud humana, ya que proporcionan nutrientes críticos y productos útiles, como los ácidos grasos Omega-3.
"En el futuro, si podemos generar directamente biocombustibles y bioproductos como los ácidos grasos de las células microbianas como la levadura a gran escala, eso significa que no necesitamos usar gasolina", dijo Xue. "Podemos salvar el medio ambiente y ahorrarmucho dinero también "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Illinois en el Urbana-Champaign Institute for Sustainability, Energy, and Environment . Original escrito por Julie Wurth. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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