Los biólogos sintéticos de la Universidad de Northwestern han desarrollado un nuevo sistema de creación rápida de prototipos para acelerar el diseño de sistemas biológicos, reduciendo el tiempo para producir productos de biofabricación sostenibles de meses a semanas.
A medida que se intensifican los desafíos mundiales como el cambio climático, el crecimiento de la población y la seguridad energética, aumenta la necesidad de biocombustibles y bioproductos de bajo costo, como medicamentos y materiales, producidos con recursos sostenibles. La biotecnología industrial, que utiliza fábricas celulares microbianas para aprovecharLos conjuntos de enzimas que pueden convertir moléculas en productos químicos deseables, han demostrado potencial para abordar estas necesidades. Sin embargo, diseñar, construir y optimizar estas vías en las células sigue siendo complejo y lento, incapaz de mantenerse al día con los cambios dinámicos en las necesidades.
La nueva plataforma, llamada in vitro Creación de prototipos y optimización rápida de enzimas biosintéticas iPROBE, proporciona un marco rápido y potente de diseño-construcción-prueba para descubrir vías biosintéticas óptimas para la ingeniería metabólica celular que podrían afectar a una variedad de industrias o problemas desde energía limpia hasta productos de consumo.
"Por primera vez, mostramos que las plataformas libres de células pueden informar y acelerar el diseño de sistemas celulares industriales", dijo Michael Jewett, Profesor de Ingeniería Química y Biológica Walter P. Murphy y Profesor de Excelencia Docente Charles Deering McCormick enMcCormick School of Engineering, que dirige el Centro de Biología Sintética de Northwestern. "Logramos en aproximadamente dos semanas lo que tradicionalmente hubiera llevado entre seis y 12 meses. Nuestros hallazgos ayudarán a acelerar el ritmo al que podemos permitir prácticas sostenibles de biofabricación".
La plataforma aprovecha el liderazgo de Northwestern en biología sintética sin células y entra en juego en tres estudios publicados recientemente, cada uno dirigido por Jewett.
"iPROBE es para ayudar a los científicos a identificar los mejores conjuntos de enzimas para una variedad de productos químicos sostenibles y llevarlos a la fabricación a escala", dijo Jewett. "Visualizamos este sistema libre de células como un motor para ayudar a realizar la bioeconomía futura."
Adoptando un enfoque sin células
" in vitro Creación de prototipos y optimización rápida de enzimas biosintéticas para diseño de células ", publicado el 15 de junio en la revista Biología química de la naturaleza , describe cómo funciona iPROBE.
Para fabricar productos químicos sostenibles, los biólogos sintéticos unen enzimas proteicas para llevar a cabo transformaciones moleculares individuales, convirtiendo las existencias fácilmente disponibles, como glucosa o dióxido de carbono, en un nuevo producto. Los métodos de prueba actuales requieren que estas enzimas se codifiquen en el ADN.en una sola molécula de plásmido, y luego se inserta en una célula viva. El proceso debe repetirse cada vez para estudiar un conjunto diferente de enzimas con la esperanza de determinar la agrupación más óptima.
"El resultado es que los ciclos de diseño son demasiado lentos", dijo Jewett. "Terminamos necesitando cientos de años combinados de desarrollo para llevar un producto al mercado. Eso es demasiado lento para abordar desafíos como el cambio climático y otros rápidamenteproblemas crecientes que enfrentamos "
iPROBE pasa por alto las limitaciones de la ingeniería de organismos vivos mediante el uso de síntesis de proteínas libres de células para enriquecer las enzimas biosintéticas en tubos de ensayo para llevar a cabo transformaciones. Combinado con algoritmos de diseño computacional desarrollados por Lockheed Martin, el sistema estudia rápidamente las relaciones de enzimas de la ruta, sintonizando enzimas individuales enEl contexto de la vía de múltiples pasos deseada, la detección de enzimas de alto rendimiento y el descubrimiento de enzimas con funcionalidades óptimas.
"iPROBE tenía que ser multifacético y fácil de usar", dijo Ashty Karim, primer autor del artículo e investigador y director científico asistente en el Laboratorio Jewett. "Nos propusimos diseñar una plataforma que pudiera probar cientos de hipótesis biosintéticassin tener que rediseñar los microbios simplemente mezclando y combinando enzimas "
Jewett comparó el análisis de mezcla y combinación de diferentes combinaciones de enzimas para hacer un cóctel.
"Imagine que es un cantinero interesado en hacer la bebida mixta perfecta. Desearía reunir todos los ingredientes de cóctel posibles que podrían usarse", dijo Jewett. "IPROBE nos permite mezclar y combinar enzimas en estetipo de enfoque basado en cócteles para determinar las mejores combinaciones para llevar a cabo la transformación y síntesis de productos químicos sostenibles, pero en lugar de llevar meses o años, podemos hacerlo en días o semanas ".
Encontrar las vías óptimas en Clostridium
Para validar el sistema iPROBE, los investigadores desarrollaron vías biosintéticas óptimas para el 3-hidroxibutirato 3-HB y el butanol, dos compuestos orgánicos en Clostridium autoethanogenum, una bacteria que produce naturalmente etanol a partir de monóxido de carbono metabolizado.
"Era importante para nosotros que demostráramos el uso práctico de la tecnología", dijo Karim. "Teníamos esta solución soñada para aumentar el ritmo de la investigación y el desarrollo de la biotecnología que solo podía lograrse a través de la colaboración correcta".
Después de identificar las rutas óptimas in vitro , los investigadores los compartieron con colaboradores de Lanzatech, una empresa de energía limpia que se especializa en el uso de cepas de Clostridium para producir combustible sostenible. Los investigadores aplicaron las vías y descubrieron un aumento de 20 veces en la producción de 3-HB en Clostridium, uniendo el éxito del iPROBEen el laboratorio a un entorno industrial.
"Trabajar con un organismo como Clostridium es difícil; las herramientas genéticas no son tan sofisticadas, a menudo faltan flujos de trabajo de alto rendimiento y existen idiosincrasias de transformación", dijo Jewett. "Hacer que este proceso funcione con éxito impulsa una nueva visión para la sostenibilidad¿Qué podría ser mejor que convertir los gases residuales de la atmósfera en productos químicos sostenibles a escala? "
Sintetizando limoneno y estireno
en un segundo artículo publicado en la revista Ingeniería metabólica , Jewett y su equipo se centraron en aplicar iPROBE para optimizar la síntesis de limoneno, un miembro de una clase de compuestos orgánicos llamados terpenos. El limoneno se encuentra en el aceite de naranja y otras cáscaras de cítricos y es responsable de su fragancia afrutada. La moléculano solo se usa comúnmente para mejorar el olor de los limpiadores domésticos y los alimentos manufacturados, sino que también ha demostrado el potencial para ayudar a promover combustibles sostenibles.
En cuestión de semanas, el enfoque sin células de iPROBE condujo a la exploración de cientos de combinaciones de enzimas para sintetizar limoneno.
"En el pasado, las personas solo podían estudiar 20 o 30 rutas", dijo Jewett. "Demostramos cómo iPROBE podría aplicarse a esta ruta biosintética particular y escalar no solo a 100 o 200 rutas, sino a 500. Esestablece un nuevo estándar sobre cómo los sistemas libres de células pueden acelerar el diseño biológico de una importante sustancia química sostenible ".
El tercer artículo, también publicado en Ingeniería metabólica , observó el estireno, una molécula derivada del petróleo que se usa comúnmente en envases desechables de plata y espuma. Mientras que los esfuerzos anteriores han intentado sintetizar la molécula utilizando organismos vivos como E. coli, la toxicidad natural del estireno limita la capacidad de producción. Con iPROBE, Jewett ysu equipo sintetizó la mayor cantidad de estireno a través de un enfoque bioquímico hasta la fecha sin mejoras de proceso adicionales.
"Este avance abre la puerta a un día pasar de los procesos de producción que dependen de los combustibles fósiles a estrategias más sostenibles y basadas en la biosíntesis", dijo Jewett.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE dentro de la Oficina de Ciencia del DOE con el número de adjudicación DE-SC0018249.
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