A pesar de la gran diversidad de organismos en el planeta que expresan enzimas para la conversión de dióxido de carbono en compuestos orgánicos como azúcares, como lo hacen las plantas a través de la fotosíntesis, los esfuerzos para aprovechar estas capacidades para transformar el CO 2 en productos de alto valor como biocombustibles y productos químicos renovables se han encontrado con un éxito limitado. Mientras aumenta la concentración de CO 2 en la atmósfera plantea un desafío, los investigadores también lo ven como una oportunidad.
Ahora, un equipo del Instituto Max-Planck MPI para Microbiología Terrestre en Marburg, Alemania, al aprovechar la experiencia en síntesis de ADN del Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE JGI, ha realizado una ingeniería inversa de una vía biosintética parafijación de carbono más efectiva. Esta nueva vía se basa en un nuevo CO 2 enzima fijadora que es casi 20 veces más rápida que la enzima más prevalente en la naturaleza responsable de capturar CO 2 en plantas usando la luz solar como energía. El estudio fue publicado en la edición del 18 de noviembre de 2016 de ciencia .
"Habíamos visto cómo los esfuerzos para ensamblar directamente rutas sintéticas para CO 2 la fijación en un organismo vivo no tuvo éxito hasta ahora ", dijo Tobias Erb de MPI, quien dirigió el estudio." Así que tomamos un enfoque radicalmente diferente y reduccionista al ensamblar componentes principales sintéticos de una manera ascendente en una pruebatubo."
El equipo comenzó con varios CO teóricos 2 rutas de fijación que podrían dar lugar a ciclos continuos de carbono. Pero no se detuvieron allí. "No restringimos nuestros esfuerzos de diseño a enzimas conocidas, sino que consideramos todas las reacciones que parecían bioquímicamente factibles", dijo Erb.
A diferencia de la secuencia de ADN, donde el lenguaje de la vida se lee desde el genoma de un organismo, la síntesis de ADN implica primero la identificación de un elemento genético particular, como una enzima para fijar el carbono de la atmósfera y escribir y expresar esocódigo en un nuevo sistema.
Al final, obtuvieron, mediante secuenciación y síntesis, 17 enzimas diferentes de 9 organismos diferentes en los tres reinos de la vida y organizaron estas partes para lograr una prueba del principio de CO 2 rendimiento de la vía de fijación que excede lo que se puede encontrar en la naturaleza. Erb llama a esto el "ciclo CETCH" para crotonil-CoA / etilmalonil-12 CoA / hidroxibutiril-CoA. Porque 'atrapa' CO 2 más eficientemente desde la atmósfera.
Al desplegar el concepto de "retrosíntesis" metabólica, desmantelando la reacción paso a paso hasta precursores más pequeños, el equipo hizo malabares con las condiciones termodinámicas y desarrolló una estrategia que arrojó resultados más prometedores que compitieron favorablemente con los fenómenos naturales.vías metabólicas. Luego, sondearon las profundidades de las bases de datos públicas para encontrar enzimas que respaldarían su modelo y seleccionaron varias docenas para probar.
"Primero reconstituimos su CO central 2 secuencia de reacción de fijación por etapas, proporcionando los ingredientes para catalizar todas las reacciones deseadas. Luego, siguiendo el flujo de CO 2 descubrimos qué reacción clave en particular limitaba la velocidad ". Esto resultó ser metilsuccinil-CoA deshidrogenasa Mcd, parte de una familia de enzimas involucradas en la respiración ¬- la reacción metabólica en las células de los organismos para convertir nutrientes comocarbono en unidades de energía.
"Para superar esta limitación, diseñamos el Mcd para usar oxígeno como un aceptador de electrones, para amplificar la función, pero esto no fue suficiente", dijo Erb. "Tuvimos que reemplazar el diseño original de la ruta con secuencias de reacción alternativas, utilizó más ingeniería enzimática para minimizar las reacciones secundarias de las enzimas promiscuas e introdujo las enzimas de corrección de pruebas para corregir la formación de metabolitos sin salida ", dijo Erb.
En apoyo de los esfuerzos del equipo de MPI, el DOE JGI sintetizó cientos de variantes de enzimas Enoyl-CoA Carboxylase / Reductase ECR a través de su Programa de Ciencia Comunitaria. Esto permitió al equipo de MPI concentrarse en la ECR con el CO más alto 2 actividad de fijación para construir con éxito un CO artificial más eficiente 2 vía de fijación en un tubo de ensayo.
"las ECR son enzimas sobrealimentadas que son capaces de fijar CO 2 a un ritmo casi 20 veces más rápido que el CO más prevalente 2 enzima fijadora en la naturaleza, RuBisCo, que realiza el trabajo pesado involucrado en la fotosíntesis ", dijo Erb. Este proceso químico aprovecha la luz solar para convertir el dióxido de carbono en azúcares que las células pueden usar como energía junto con otros procesos naturales en el planeta yrepresenta la transformación de unos 350 mil millones de toneladas de CO 2 anualmente
Hace setenta años, este fenómeno capturó la imaginación del antiguo investigador de Berkeley Lab, Melvin Calvin, quien, junto con Andrew Benson y James Bassham, describió, en plantas, algas y microorganismos, el ciclo que ahora lleva sus nombres, y por el cual Calvin fue premiadoEl Premio Nobel en 1961.
Esta generación de investigadores está preocupada sobre cómo capturar el exceso de dióxido de carbono, eliminarlo de la atmósfera y convertirlo en energía y productos naturales para la economía.
"Ahora Berkeley Lab, a través del DOE Joint Genome Institute, ha contribuido de manera importante a nuestra comprensión de la gran diversidad genética de los microorganismos y sus funciones en el medio ambiente, particularmente en el ciclo del carbono", dijo Yasuo Yoshikuni, jefe del ADN.Grupo de Synthesis Science en el DOE JGI ". Al secuenciar phyla subexplorada de nichos ecológicamente importantes, nos hemos centrado en los genes y las vías que ahora podemos sintetizar en el laboratorio para desentrañar estrategias novedosas que la naturaleza usa para el metabolismo del carbono. Identificar estosgenes que codifican CO 2 las enzimas fijadoras y su función biológica son una de las piezas importantes que faltan en el rompecabezas del clima ".
Envalentonado por la reconstitución exitosa de una red enzimática sintética en un tubo de ensayo para la conversión de CO 2 en productos orgánicos que es superior a los procesos químicos y compite favorablemente con los de la naturaleza, Erb dijo que esto abre la puerta a otras aplicaciones futuras.
"Esto podría incluir la introducción de CO sintético 2 los ciclos de fijación en organismos para reforzar la fotosíntesis natural, o digamos, en combinación con la energía fotovoltaica, abren el camino a la fotosíntesis artificial, esto podría al final impulsar el diseño de un metabolismo de carbono completamente sintético y autosuficiente en sistemas bacterianos y de algas."
Yoshikuni mira hacia un futuro donde la secuenciación de ADN y las funciones biológicas convergen aún más aprovechando la síntesis de ADN. "A través de las capacidades de secuenciación de alto rendimiento del DOE JGI junto con el precio en rápida disminución de la síntesis de ADN, continuamos permitiendo a nuestra comunidad de usuarios sacar a la luz elpotencial fisiológico de los microorganismos y las comunidades microbianas. A más largo plazo, esperamos ver que estos resultados en probetas produzcan una nueva generación de bioproductos reales entregados para abordar desafíos críticos de energía y medioambientales ".
El significado más amplio de este trabajo es ilustrar dramáticamente el papel cada vez mayor del "pensamiento de ingeniería" en biotecnología, ya que la caracterización acelerada de la "lista de partes" biológica que emerge de la secuenciación del genoma de alto rendimiento brinda mayores oportunidades para reconstruir mediante capacidades de diseño en la vidaorganismos que abordan las necesidades de la misión del DOE en bioenergía y medio ambiente. Un video de la Sociedad Max-Planck con Tobias Erb discutiendo este proyecto está disponible en http://bit.ly/ErbCETCH .
Esta investigación fue apoyada por el Consejo Europeo de Investigación, la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza, ETH Zurich y la Sociedad Max-Planck.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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