Ingeniería de glicolil-CoA carboxilasa (GCC), la enzima clave de la vía TaCo. GCC se desarrolló sobre el andamio de una propionil-CoA carboxilasa (WT) de origen natural. El diseño racional llevó a la versión M3 50 veces mejorada, y el cribado adicional de alto rendimiento permitió la identificación de una versión mejorada 900 veces (M5). Crédito:Instituto Max Planck de Microbiología terrestre / Scheffen
La fotorrespiración es un proceso que consume mucha energía en las plantas y que conduce a la liberación de CO previamente fijado. 2 . Por lo tanto, La ingeniería de este proceso metabólico es un enfoque clave para mejorar el rendimiento de los cultivos y para enfrentar el desafío del CO en constante aumento. 2 niveles en la atmósfera. Investigadores dirigidos por Tobias Erb del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre en Marburg, Alemania, ahora han tenido éxito en la ingeniería de la vía TaCo, un bypass fotorrespiratorio sintético. Esta conexión metabólica nueva en la naturaleza abre nuevas posibilidades de CO 2 fijación y producción de compuestos de valor agregado.
Toda la vida depende de la fijación de CO 2 a través de las plantas. Sin embargo, La eficiencia enzimática de la fotosíntesis natural es limitada. establecer un límite en la productividad agrícola y el CO 2 fijación. La fotorrespiración es un proceso de desintoxicación en plantas que recicla un subproducto tóxico de la fotosíntesis, 2-fosfoglicolato. La fotorrespiración consume mucha energía y conduce a la liberación de CO previamente fijado 2 , frenando así aún más el equilibrio fotosintético.
Los investigadores dirigidos por Tobias Erb del Instituto Max Planck de Microbiología terrestre han desarrollado un bypass fotorrespiratorio sintético que representa una alternativa a la fotorrespiración natural. En colaboración con el grupo de Arren Bar-Even (Instituto Max Planck de Fisiología Vegetal Molecular, Potsdam-Golm), y en el marco del proyecto Future Agriculture, financiado con fondos europeos, el equipo ha diseñado la vía llamada tartronil-CoA (TaCo) que es mucho más corta que la fotorrespiración natural y requiere solo 5 en lugar de 11 enzimas. Quizás el mayor beneficio de la vía TaCo es que corrige el CO 2 en lugar de soltarlo, como ocurre en la fotorrespiración natural. Como resultado, la vía TaCo es más eficiente energéticamente que cualquier otro bypass fotorrespiratorio propuesto hasta la fecha.
La construcción de la vía TaCo fue un viaje científico que ha llevado a los investigadores desde el modelo computacional hasta la ingeniería enzimática, cribado microfluídico de alto rendimiento, Tecnología crio-EM hacia la implementación exitosa in vitro de una conexión metabólica nueva en la naturaleza que abre nuevas posibilidades para el CO 2 fijación y producción de compuestos de valor agregado. "El principal desafío para realizar la vía TaCo fue encontrar todas las enzimas necesarias, "Marieke Scheffen, Investigador postdoctoral en el grupo de Tobias Erb y autor principal del estudio, recuerda. "Significaba que teníamos que buscar enzimas que realicen reacciones similares y luego 'enseñarles' a realizar la reacción deseada".
Enzimas más eficientes
Para la vía TaCo, inicialmente se encontró un puñado de enzimas que podían catalizar las reacciones requeridas. Sin embargo, mostraron bajas eficiencias catalíticas, lo que significa que eran bastante lentos en comparación con las enzimas naturales. Los investigadores tenían como objetivo impulsar especialmente el rendimiento de la enzima clave de la vía TaCo, glicolil-CoA carboxilasa (GCC), el catalizador que hace que la fotorrespiración sea positiva.
Como base para crear una glicolil-CoA carboxilasa sintética (GCC), los investigadores desarrollaron un modelo molecular de la enzima. Se crearon diferentes variantes de la enzima basadas en una propionil-CoA carboxilasa natural, que generalmente está involucrado en el metabolismo de los ácidos grasos, como un andamio mediante el intercambio de residuos de aminoácidos. Esta estrategia de diseño racional condujo a una mejora de 50 veces la eficiencia catalítica de la enzima con glicolil-CoA.
Para impulsar aún más el rendimiento de la enzima, los investigadores se asociaron con el grupo de Jean-Christophe Baret del Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS, CRPP) Burdeos, Francia, con quienes desarrollaron una pantalla de microfluidos de rendimiento ultra alto y examinaron miles de variantes sintéticas. Dentro de dos rondas de exámenes subsiguientes de microplacas, Se descubrió una variante de enzima que mostraba una eficiencia catalítica incluso casi 900 veces mayor con glicolil-CoA. "Con esta eficiencia catalítica, GCC está en el rango de carboxilasas dependientes de biotina de origen natural. Esto significa que pudimos diseñar una enzima desde casi ninguna actividad hacia la glicolil-CoA hasta una actividad muy alta, que es comparable a las enzimas evolucionadas naturalmente, "Explica Marieke Scheffen.
Microscopía electrónica de alta resolución
La resolución de la estructura molecular de este catalizador recientemente desarrollado se logró en otra colaboración, con Jan y Sandra Schuller del Instituto Max Planck de Bioquímica, Martinsried (ahora SYNMIKRO en Marburg). Los investigadores aplicaron microscopía electrónica criogénica de vanguardia (crio-EM) a una resolución atómica de 1,96 Å, empujando así los límites de cryo-EM.
Finalmente, la enzima sintética GCC demostró ser funcional en experimentos in vitro en combinación con las otras dos enzimas de la vía TaCo, formando así una vía de fijación de carbono aplicable. "La vía TaCo no es solo una alternativa prometedora para la fotorrespiración", dice el líder del grupo Tobias Erb. "También pudimos demostrar que puede interactuar con otros CO sintéticos 2 ciclos de fijación, como el ciclo CETCH. Ahora podremos vincular de manera eficiente el CO sintético 2 fijación directa al metabolismo central ".
Esto abre un abanico de posibilidades científicas, por ejemplo, hacia el reciclaje de tereftalato de polietileno (PET). La vía TaCo podría usarse para convertir etilenglicol (un monómero de PET) directamente en glicerato, haciéndolo utilizable para la producción de biomasa o compuestos de valor agregado. El siguiente paso será avanzar en la implementación in vivo, con el fin de aprovechar todo el potencial de la vía recientemente desarrollada.
