Figura 1:La vía para convertir el dióxido de carbono en D-lactato. Synechocystis sp. PCC 6803 produce glucógeno dentro de sus células a partir de CO2 y luz. Se reveló que cuando Synechocystis sp. El PCC 6803 que ha acumulado glucógeno se coloca en condiciones de oscuridad anóxica, esto activa la vía metabólica (indicada por las flechas rojas) que promueve la producción de D-lactona. Crédito:Universidad de Kobe
Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Kobe ha iluminado el mecanismo por el cual las cianobacterias (Synechocystis sp. PCC 6803) producen D-lactato, mostrando que la enzima málica facilita esta producción. Después, lograron producir la tasa más alta del mundo (26,6 g / L) de D-lactato directamente a partir de CO 2 y luz mediante la modificación de la vía de síntesis de D-lactato mediante ingeniería genética.
Se espera que este éxito contribuya al desarrollo de importantes tecnologías de proceso para la producción de ácido poliláctico, que se utiliza para fabricar plásticos biodegradables. Esto podría ayudar a hacer que el concepto de un la sociedad hipocarbónica es una realidad.
El grupo de investigación estuvo formado por el profesor HASUNUMA Tomohisa (del Centro de Investigación en Biología de Ingeniería de la Universidad de Kobe), Profesor asociado del proyecto HIDESE Ryota (de la Escuela de Graduados de Ciencias de la Universidad de Kobe, Tecnología e Innovación) y Profesor Asociado OSANAI Takashi (de la Escuela de Agricultura de la Universidad de Meiji).
Los resultados de esta investigación se publicaron en línea en la revista científica internacional Biología sintética ACS el 31 de enero 2020.
La utilización de la bioproducción para sintetizar compuestos químicos versátiles y materias primas funcionales que generalmente se derivan del petróleo es vital tanto para el medio ambiente como para la sostenibilidad de los recursos. En años recientes, Se ha prestado atención a los métodos de bioproducción que utilizan microbios. Entre estos microbios se encuentran las microalgas. Es posible producir varias sustancias útiles como aceites y pigmentos a partir de microalgas utilizando luz solar y CO. 2 .
Las cianobacterias son un tipo de microalgas de crecimiento rápido que son fáciles de modificar genéticamente. Las cianobacterias se han utilizado para producir D-lactato antes, sin embargo, el bajo rendimiento ha sido un obstáculo que impide la aplicación práctica de estos métodos.
Las cianobacterias se convierten en CO 2 en el glucógeno del azúcar a través de la fotosíntesis. Si las cianobacterias que han acumulado glucógeno dentro de sus células se colocan en un ambiente oscuro sin oxígeno, el glucógeno es metabolizado por las cianobacterias y secreta ácidos orgánicos (como succínico y láctico) en el medio de crecimiento.
Para sintetizar D-lactato a partir de cianobacterias, es necesario que aumente la producción de piruvato. Este grupo de investigación descubrió que la enzima málica, que convierte el ácido málico en piruvato, es vital para la producción de D-lactato. Utilizaron metabolómica dinámica para iluminar el mecanismo detrás de la producción de D-lactato. A través de este análisis, descubrieron que cuando se produce un exceso de enzima málica dentro de las células, no solo el ácido málico se convierte en piruvato, pero también se activa la vía para producir piruvato a partir del glucógeno (Figura 1). El D-lactato se biosintetiza a partir del piruvato mediante la D-lactato deshidrogenasa. El grupo de investigación logró producir 26,6 g / L de D-lactato con una tasa de conversión del 94,3% del glucógeno acumulado mediante la ingeniería genética de la D-lactato deshidrogenasa para optimizar su función (Figura 2).
Esta investigación representa un avance importante hacia el desarrollo de un proceso industrial para producir D-lactato a partir de CO 2 . El grupo tiene como objetivo continuar impulsando la producción de D-lactato a través de la optimización de las vías metabólicas y el análisis de las condiciones de cultivo.
Existe un gran mercado de D-lactato, que se puede utilizar como materia prima en la producción de estereocomplejo PLA que es un plástico biodegradable. Por otra parte, Se requieren alta pureza y productividad para hacer viable la síntesis biológica de D-lactato utilizando microbios. Existen metodologías de bioproducción que utilizan microbios heterótrofos como E. coli, sin embargo, estos utilizan azúcar (glucosa) del maíz o la caña de azúcar como fuente de energía para la producción. Esto significa que el cultivo de estas plantas para la bioproducción provoca una multitud de problemas, como la competencia con las fuentes de alimentos, uso de tierras cultivables y recursos de agua dulce, y contribución a la destrucción del medio ambiente (por ejemplo, deforestación).
Cianobacterias por otra parte, es un microbio ideal para producir sustancias útiles, ya que puede convertir CO 2 fijado a través de la fotosíntesis en varios compuestos diana. Además, las cianobacterias tienen una capacidad de fotosíntesis mucho mayor que las plantas, lo que significa que incluso se puede cultivar bajo una luz intensa. No requiere suelo y muchas variedades se pueden cultivar en agua de mar. Por lo tanto, se espera que las cianobacterias puedan proporcionar la base última para la bioproducción, ya que solo requiere luz solar. CO 2 y agua de mar.
Figura 2:Tasa de producción de D-lactona de cianobacterias modificadas genéticamente. En condiciones de oscuridad anóxica, la densidad celular de la solución de cianobacterias fermentadas aumentó. Esto condujo a la producción exitosa de 26,6 g / L de D-lactato, la tasa más alta del mundo que utiliza un microorganismo autótrofo. Crédito:Universidad de Kobe
Es ampliamente conocido que las cianobacterias podrían proporcionar una forma de sintetizar D-lactato, y se han hecho intentos para estimular la producción de D-lactato usando modificación genética. Sin embargo, Casi todos los sistemas que producen D-lactato están conectados a la propagación a través de la fotosíntesis, por lo que se sintetizan cantidades bajas de esta sustancia objetivo. La razón de esto es que el mecanismo de producción de D-lactato en cianobacterias no se ha entendido bien.
Las técnicas de análisis del metaboloma permiten a los investigadores identificar y calcular la multitud de compuestos que se encuentran dentro de las células. Este grupo de investigación desarrolló "Metabolómica dinámica" que les permitió observar la cantidad de sustancias metabolizadas a lo largo del tiempo.
El Synechocystis sp. Las cianobacterias PCC 6803 utilizadas en este estudio son una de las cianobacterias más comúnmente investigadas en todo el mundo. Es un organismo modelo para la producción de fotosintato porque es fácil de modificar genéticamente y crece rápidamente. Investigaciones anteriores realizadas por este grupo utilizando metabolómica dinámica mostraron que el ácido succínico se produce principalmente a través del ácido málico en Synechocystis sp. PCC 6803. El estudio actual se centró en la enzima málica, que convierte el ácido málico en piruvato. Primero, su objetivo era dilucidar los efectos de la enzima málica sobre el metabolismo de Synechocystis sp. PCC 6803 mediante metabolómica dinámica. Su objetivo posterior fue aumentar la producción de D-lactato mediante ingeniería metabólica.
Metodología de investigación
Se crearon dos tipos de células para investigar exhaustivamente el mecanismo detrás de la producción de D-lactato:1. Células que no tenían función de enzima málica y 2. Células en las que esta función se optimizó. que conduce a una sobreexpresión de la enzima málica.
Se utilizó la metabolómica dinámica para analizar la diferencia en el metabolismo entre estas dos células. Se encontró que se producía más piruvato a partir del glucógeno cuando el nivel de ácido málico en las células era bajo (Figura 1).
El grupo de investigación optimizó más células de enzima málica genéticamente modificadas para sobreexpresar D-lactato deshidrogenasa, y mejoró la función de la D-lactato deshidrogenasa de producir D-lactato a partir de piruvato. Además, el grupo diseñó genéticamente las células para eliminar la enzima acetato quinasa con el fin de suprimir la producción de ácidos secundarios.
El Synechocystis sp. A continuación, se cultivó PCC 6803 en un ambiente anóxico oscuro (condiciones de fermentación). Bajo estas condiciones, las células alcanzaron la densidad óptima. Este grupo de investigación superó con creces el rendimiento más alto anterior de D-lactato (10,7 g / L), produciendo 26,6 g / L a una tasa de 0,185 g / L / h (Figura 2). Se cree que este hallazgo puede contribuir a un proceso de bajo costo para producir altos niveles de D-lactato.
Más investigación
Las cianobacterias se pueden utilizar para producir muchos compuestos químicos versátiles y materias primas funcionales, sin embargo, esta tecnología aún no está lo suficientemente desarrollada como para ser implementada a escala industrial. El gran problema es que se producen niveles más bajos del compuesto objetivo utilizando cianobacterias, en comparación con las cantidades producidas cuando se utilizan microorganismos heterótrofos. La investigación actual ha demostrado que el análisis de metabolómica dinámica es muy eficaz para evaluar la función de Synechocystis. Basado en el resultado de la metabolómica dinámica, este grupo permitió que Synechocystis funcionara a su máximo potencial modificando genéticamente su metabolismo.
Se espera que el aumento de la productividad fotosintética de las cianobacterias a través de la metabolómica dinámica y la ingeniería metabólica pueda contribuir a la realización de un proceso sostenible, sociedad baja en carbono.
