Los científicos han aprendido recientemente cómo usar la luz para controlar grupos específicos de neuronas para comprender mejor el funcionamiento del cerebro, un desarrollo que ha transformado áreas de la neurociencia.
Los investigadores de la Universidad de Princeton ahora han aplicado un método similar para controlar el metabolismo, o proceso químico básico, de una célula viva. En una serie de experimentos, utilizaron la luz para controlar la levadura genéticamente modificada y aumentar su producción de productos químicos comercialmente valiosos.Los resultados ofrecen a los científicos una nueva herramienta poderosa para investigar y comprender el funcionamiento interno de las células.
"Esta técnica nos permite controlar el metabolismo de las células de una manera sin precedentes", dijo el co-investigador principal José L. Avalos, profesor asistente de ingeniería química y biológica y el Centro Andlinger de Princeton para la Energía y el Medio Ambiente ". Se abrela puerta para controlar el metabolismo con luz "
La levadura se ha utilizado durante siglos para hacer pan, vino y cerveza. Mediante la fermentación, las células de levadura transforman el azúcar en sustancias químicas que hacen que el pan se levante y conviertan el jugo de uva en vino. Utilizando su nueva técnica, los investigadores de Princeton ahora han utilizado la fermentación y la genética- levadura diseñada para producir otros productos químicos, incluido el ácido láctico, utilizado en la producción de alimentos y bioplásticos, e isobutanol, un producto químico básico y un biocombustible avanzado.
La luz desempeñó un papel clave en el experimento porque permitió a los investigadores activar los genes que habían agregado a las células de levadura. Estos genes particulares son sensibles a la luz, lo que puede desencadenar o suprimir su actividad. En un caso, activarsey con una luz azul hizo que la levadura especial alternara entre producir etanol, un producto de fermentación normal e isobutanol, un químico que normalmente mataría a la levadura a una concentración suficientemente alta.
El logro de producir estos químicos fue significativo, pero los investigadores estaban intrigados por el desarrollo del papel más amplio de la luz en la investigación metabólica.
"Proporciona una nueva herramienta con la capacidad de realizar experimentos sofisticados para determinar cómo funciona el metabolismo y cómo diseñarlo", dijo Avalos.
en un artículo del 21 de marzo en la revista Naturaleza , los investigadores informaron que usaron luz para aumentar la producción de levadura del químico isobutanol hasta 5 veces más que los niveles reportados previamente en estudios revisados por pares. Los investigadores usaron una cepa genéticamente modificada de la levadura Saccharomyces cerevisiae en los experimentos.
El isobutanol es un alcohol utilizado en productos como lubricantes, reemplazos de gasolina y combustible para aviones, y plásticos. Con buena compatibilidad con la infraestructura de la gasolina, el isobutanol tiene propiedades que podrían convertirlo en un sustituto directo del gas como combustible para vehículos. Sin embargo, la mayoría de los intentosPara crear biocombustible de isobutanol se han encontrado dificultades que involucran costos o escalar la producción a nivel industrial. Aunque la fermentación natural de la levadura produce isobutanol, lo hace en cantidades minúsculas. En cambio, la levadura produce grandes volúmenes de etanol el alcohol en la cerveza y el vino y carbonodióxido un gas que hace subir el pan.
"La levadura no quiere hacer nada más que etanol; todos sus sistemas han evolucionado para hacer esto", dijo Evan M. Zhao, un estudiante de doctorado de tercer año en el laboratorio de Avalos y autor principal del Naturaleza papel. "Este ha sido un problema antiguo"
Los investigadores trataron de superar esta barrera. Se las arreglaron para suprimir el interés evolutivo de la levadura mediante la ingeniería genética para producir grandes cantidades de isobutanol. Pero se enfrentaron a un problema importante. El isobutanol es tóxico para la levadura y finalmente mata a las colonias de levadura que producenen cualquier cantidad significativa. Los investigadores predijeron que podrían usar una combinación de ingeniería genética y luz para ajustar la producción de isobutanol. Utilizando su técnica de cambio de luz, los investigadores se propusieron mantener viva la levadura mientras maximizaban la producción de isobutanol.
Los investigadores comenzaron colocando un gen modificado de una bacteria marina que es controlable por la luz azul en el ADN de la levadura. Luego usaron la luz para activar un proceso químico que activa las enzimas que naturalmente permiten que la levadura crezca y se multiplique comiendo glucosa y secretandoetanol. Pero si bien esas enzimas están activas, las que influyen en la producción de isobutanol no pueden funcionar. Por lo tanto, el equipo recurrió a la oscuridad para apagar las enzimas productoras de etanol para dejar espacio para la expresión de sus competidores.
"Normalmente, la luz activa la expresión", dijo Jared E. Toettcher, profesor asistente de biología molecular y co-investigador principal, "pero también tuvimos que descubrir cómo hacer que la ausencia de luz activara otra expresión".
El desafío era encontrar el equilibrio correcto de luz y oscuridad, dado que las células de levadura mueren cuando se altera su proceso de fermentación natural, Zhao dijo: "La levadura se enferma. Ya no hacen nada; simplemente se detienen".
Los investigadores permitieron que las células crecieran dándoles ráfagas de luz azul cada pocas horas. En el medio, apagaron la luz para cambiar su metabolismo de potenciar el crecimiento a producir isobutanol. Antes de que las células se detuvieran por completo, los investigadores dispersaron más ráfagas deligero.
"Solo suficiente luz para mantener vivas las células", dijo Toettcher, "pero aún así produce todo el producto que quieres, que producen solo en la oscuridad".
El uso de la luz para controlar la producción química de la levadura ofrece varias ventajas sobre las técnicas que involucran ingeniería genética pura o aditivos químicos. Por un lado, la luz es mucho más rápida y barata que la mayoría de las alternativas. También es ajustable, lo que significa que encenderla y apagarla puede alternar la funciónde células vivas en el lugar en cualquier punto del proceso de fermentación a diferencia de los productos químicos, que generalmente no se pueden apagar una vez que se agregan. Además, a diferencia de los manipuladores químicos que se difunden en una célula, la luz se puede aplicar agenes sin afectar otras partes de la célula.
La optogenética, como se llama el uso de la luz para controlar genes, ya se usa en neurociencia y otros campos, pero esta es la primera aplicación de la tecnología para controlar el metabolismo celular para la producción química. Gregory Stephanopoulos, profesor de ingeniería química del MIT que fueNo participó en la investigación de Princeton, lo llamó un punto de inflexión en el campo de la ingeniería metabólica.
"Ofrece un enfoque completamente nuevo para el control de la expresión génica en el cultivo microbiano", dijo el profesor Stephanopoulos.
El trabajo y el trabajo resultante fueron la culminación de la colaboración interdisciplinaria entre los laboratorios de Avalos y Toettcher.
Ambos comenzaron a trabajar en Princeton en el invierno de 2015 e inmediatamente vieron la oportunidad de trabajar juntos. Zhao trabajó en ambos laboratorios.
"En nuestro primer mes queríamos usar la luz para controlar la ingeniería metabólica", dijo Toettcher.
Avalos dijo que los investigadores están trabajando para mejorar sus resultados. Recientemente han probado diferentes colores de luz para activar varias proteínas y reducir el tiempo necesario para que la levadura produzca los químicos deseados. Pero dijo que finalmente les gustaría ampliar el alcance de sutrabajo.
"Tenemos la intención de seguir presionando", dijo Avalos. "Pero la ingeniería metabólica trasciende la microbiología industrial. También nos permite estudiar el metabolismo de las células para problemas relacionados con la salud. Puede controlar el metabolismo en cualquier contexto, para la biología industrial o paraabordar preguntas médicas "
Otros autores en el documento fueron los estudiantes graduados del Departamento de Ingeniería Química y Biológica Yanfei Zhang, Justin Mehl, Helen Park y Makoto A. Lalwani. El proyecto fue apoyado en parte por la Fundación Alfred P. Sloan, el Instituto Nacionalof Health, Pew Charitable Trusts y Eric and Wendy Schmidt Transformative Technology Fund.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería . Original escrito por Lonnie Shekhtman. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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