los ingenieros químicos del MIT han diseñado un nuevo interruptor genético que les permite aumentar drásticamente la producción de bacterias de productos químicos útiles al cerrar las vías metabólicas en las células.
En un documento que aparece en la edición del 13 de febrero de Biotecnología de la naturaleza , los investigadores demostraron que podrían mejorar significativamente el rendimiento del ácido glucárico, un químico que es un precursor de productos como nylons y detergentes. Este cambio genético también podría cambiarse fácilmente en bacterias que generan otros productos, dicen los investigadores.
"Podemos diseñar células microbianas para producir muchos químicos diferentes a partir de azúcares simples, pero las células prefieren usar esos azúcares para crecer y reproducirse. El desafío es diseñar un sistema en el que tengamos suficiente crecimiento para tener una fábrica química microbiana productiva""pero no tanto como para no poder canalizar suficientes azúcares en una vía para producir grandes cantidades de nuestras moléculas objetivo", dice Kristala Prather, profesora asociada de ingeniería química en el MIT y autora principal del estudio.
El autor principal del artículo es Apoorv Gupta, un estudiante graduado del MIT. Otros autores son Irene Brockman Reizman, un ex estudiante graduado del MIT que ahora es profesor asistente en el Instituto de Tecnología Rose-Hulman; y Christopher Reisch, un ex postdoc del MIT queahora es profesor asistente en la Universidad de Florida.
un interruptor dinámico
Durante décadas, los científicos han estado manipulando los genes de los microbios para lograr que produzcan grandes cantidades de productos como la insulina o la hormona de crecimiento humano. A menudo esto se puede lograr simplemente agregando el gen para el producto deseado o aumentando la expresión de ungen existente.
Más recientemente, los investigadores han estado tratando de diseñar microbios para generar productos más complejos, incluidos productos farmacéuticos y biocombustibles. Esto generalmente requiere agregar varios genes que codifican las enzimas que catalizan cada paso de la síntesis general.
En muchos casos, este enfoque también requiere cerrar vías competidoras que ya existen en la célula. Sin embargo, el momento de esta parada es importante porque si la vía competitiva es necesaria para el crecimiento celular, desactivarla limita el tamaño de la población, yla bacteria no producirá suficiente del compuesto deseado.
el laboratorio de Prather ha sido diseñado previamente E. coli para producir ácido glucárico al agregar tres genes, uno de cada uno de levadura, ratones y una cepa de bacterias llamada Pseudomonas syringae . Usando estos tres genes, las bacterias pueden transformar un compuesto llamado glucosa-6-fosfato en ácido glucárico. Sin embargo, la glucosa-6-fosfato también es un intermediario en una ruta metabólica crítica que descompone la glucosa y la convierte en células de energía.necesita crecer y reproducirse
Para generar grandes cantidades de ácido glucárico, los investigadores tuvieron que encontrar una manera de cerrar la vía de descomposición de la glucosa, permitiendo que la glucosa-6-fosfato se desviara a su vía metabólica alternativa. Sin embargo, tuvieron que cronometrar cuidadosamenteel cierre para que la población celular sea lo suficientemente grande como para producir una cantidad sustancial de ácido glucárico. Más importante aún, querían hacerlo sin agregar ningún químico nuevo o cambiar las condiciones del proceso de ninguna manera.
"La idea es detener de forma autónoma el crecimiento de las células, a mitad de la producción, para que realmente puedan concentrar todos los azúcares de glucosa disponibles en la producción de ácido glucárico", dice Gupta.
Para lograr esto, los investigadores aprovecharon un fenómeno conocido como detección de quórum, que es utilizado por muchas especies de bacterias para coordinar la regulación génica en respuesta a su densidad de población.
Además de agregar los genes para la producción de ácido glucárico, los investigadores diseñaron cada célula para producir una proteína que sintetiza una molécula pequeña llamada AHL. Las células secretan esta molécula en su entorno, y cuando la concentración que rodea a las células llega a ciertopunto, activa un interruptor que hace que todas las células dejen de producir una enzima llamada fosfofructoquinasa Pfk, que es parte de la vía de descomposición de la glucosa. Con esta enzima apagada, la glucosa-6-fosfato se acumula y se desvía hacia la vía alternativaque produce ácido glucárico. Al construir una biblioteca de células que producen AHL a diferentes velocidades, los investigadores pudieron identificar el mejor momento para activar el apagado de Pfk.
Usando este interruptor, los investigadores pudieron generar aproximadamente 0.8 gramos de ácido glucárico por litro de la mezcla bacteriana, mientras que las células que fueron diseñadas para producir ácido glucárico pero no tenían el interruptor metabólico produjeron casi nada.
Vías alternativas
Este tipo de interruptor también debería ser aplicable a otras vías metabólicas diseñadas porque el circuito genético puede ser dirigido para apagar otros genes.
Para demostrar esta versatilidad, los investigadores probaron su enfoque con una vía metabólica que produce una molécula llamada shikimate, que es un precursor de varios aminoácidos diferentes y también es un ingrediente en algunos medicamentos, incluido el medicamento para la influenza Tamiflu. Usaron el AHLmolécula sensora de quórum para apagar una enzima que mueve shikimate más adelante en la vía de síntesis de aminoácidos, permitiendo que el shikimate se acumule en las células. Sin el interruptor, las células no podrían acumular ningún shikimate.
El equipo del MIT ahora está trabajando en estrategias para configurar múltiples capas de control autónomo, lo que les permite cerrar una vía y también activar otra.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Anne Trafton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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