El campo de la biología sintética ha tenido un gran éxito en la ingeniería de levaduras y bacterias para producir productos químicos:biocombustibles, productos farmacéuticos, fragancias incluso los sabores lupulosos de la cerveza, de forma económica y más sostenible, con solo azúcar como fuente de energía.

Todavía, el campo se ha visto limitado por el hecho de que los microbios, incluso con genes procedentes de plantas u otros animales, sólo puede producir moléculas utilizando las reacciones químicas de la naturaleza. Gran parte de la química y la industria química se centran en fabricar sustancias que no se encuentran en la naturaleza con reacciones inventadas en un laboratorio.

Una colaboración entre químicos sintéticos y biólogos sintéticos de la Universidad de California, Berkeley, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley ha superado ese obstáculo, bacterias de ingeniería que pueden hacer una molécula que, hasta ahora, solo podría sintetizarse en un laboratorio.

Mientras que la biosíntesis de la bacteria E. coli produjo una sustancia de bajo valor, y en pequeñas cantidades, Además, el hecho de que los investigadores pudieran diseñar un microbio para producir algo desconocido en la naturaleza abre la puerta a la producción de una gama más amplia de productos químicos a partir de la fermentación bacteriana y de levadura. dijeron los investigadores.

"Es una forma completamente nueva de hacer síntesis química. La idea de crear un organismo que produzca un producto tan antinatural, que combina la síntesis de laboratorio con la biología sintética dentro de un organismo vivo; es solo una forma futurista de hacer moléculas orgánicas a partir de dos campos de la ciencia separados de una manera que nadie ha hecho antes, "dijo John Hartwig, Profesor de química de UC Berkeley y uno de los cuatro autores principales del estudio.

Los hallazgos se publicaron en línea hoy (14 de octubre) en la revista Química de la naturaleza .

El logro podría ampliar enormemente las aplicaciones de la biología sintética, que es más verde, forma más sostenible de fabricar productos químicos para los consumidores y la industria, dijo la coautora Aindrila Mukhopadhyay, un científico senior de Berkeley Lab y vicepresidente de la División de Biocombustibles y Bioproductos del Joint BioEnergy Institute (JBEI) en Emeryville, California.

"Hay tanta necesidad en nuestras vidas en este momento de materiales sostenibles, materiales que no afecten al medio ambiente. Esta tecnología abre posibilidades para combustibles con propiedades deseables que se pueden producir de forma renovable, así como nuevos antibióticos, nuevos nutracéuticos, nuevos compuestos que serían extremadamente difíciles de hacer usando solo biología o solo química, ", dijo." Creo que ese es el verdadero poder de esto:expande la gama de moléculas que podemos abordar. Realmente necesitamos nuevas tecnologías disruptivas, y este definitivamente es uno de ellos ".

Hibridación de catalizadores metálicos con enzimas naturales.

Hartwig, la Cátedra Henry Rapoport de Química Orgánica en UC Berkeley y un científico senior de la facultad en Berkeley Lab, incrusta catalizadores metálicos en enzimas naturales para producir las llamadas metaloenzimas artificiales, que puede sintetizar sustancias químicas que han sido difíciles de producir por otros medios en el laboratorio. Una reacción de estos sistemas en la que él y su laboratorio han trabajado durante los últimos seis años es la incorporación de un ciclopropano, un anillo de tres átomos de carbono, en otras moléculas. Estos productos químicos ciclopropanados son cada vez más útiles en medicamentos, como un medicamento para curar las infecciones por hepatitis C.

Él y el estudiante graduado de UC Berkeley, Zhennan Liu, crearon una metaloenzima que es un híbrido de una enzima natural, P450:ampliamente utilizado en el cuerpo, particularmente en el hígado, para oxidar compuestos y el iridio metálico. P450 incorpora naturalmente un cofactor llamado hemo, también en el núcleo de la molécula de hemoglobina que transporta oxígeno en la sangre, que contiene naturalmente un átomo de metal, planchar.

Cambiando el hierro por iridio, El laboratorio de Hartwig generó una metaloenzima que, en tubos de ensayo, agrega con éxito ciclopropanos, adhiriendo un tercer carbono a un doble enlace carbono-carbono, a otras moléculas orgánicas. La metaloenzima a base de iridio hace esto con estereoselectividad, es decir, genera una molécula ciclopropanada, pero no su imagen reflejada, que se comportaría de manera diferente en el cuerpo.

Luego se asociaron con el becario postdoctoral de Berkeley Lab, Jing Huang, un biólogo sintético en los laboratorios de Mukhopadhyay y Jay Keasling, Profesor de ingeniería química y biomolecular de UC Berkeley, científico principal de la facultad en Berkeley Lab y director ejecutivo de JBEI, para ver si pueden incorporar el hemo que contiene iridio en las enzimas P450 dentro de las células vivas de E. coli y dar a las bacterias la capacidad de producir moléculas ciclopropanadas completamente dentro de la célula.

Trabajando con el estudiante graduado de UC Berkeley Brandon Bloomer, encontraron una forma de transportar la molécula de hemo que contiene el iridio a E. coli, donde la mayoría del iridio agregado al medio en el que crecen las bacterias se incorporó a una enzima P450.

Luego, los biólogos sintéticos equilibraron el metabolismo de las bacterias para que pudieran producir el producto final, un limoneno ciclopropanado, en un cultivo bacteriano vivo.

"El producto es una molécula relativamente simple, pero este trabajo demuestra el potencial de combinar la biosíntesis y la síntesis química para hacer moléculas que los organismos nunca han hecho antes, y la naturaleza nunca se hizo antes, "Dijo Hartwig.

Mukhopadhyay dijo que la incorporación de otras metaloenzimas en las bacterias podría cambiar las reglas del juego en términos de producción microbiana para fabricar productos farmacéuticos. así como combustibles sostenibles.

"Hoy dia, muchas drogas se extraen laboriosamente de plantas que son difíciles de cultivar y tienen un impacto negativo en el medio ambiente. Ser capaz de producir de manera confiable estos compuestos en un laboratorio usando biotecnología realmente abordaría muchos de estos problemas, " ella dijo.

Esto se aplica a la fabricación "no solo de medicamentos, pero precursores de polímeros, plásticos renovables, biocombustibles, materiales de construcción, toda la gama de cosas que usamos hoy, desde detergentes hasta lubricantes, pinturas, pigmentos y tejidos, ", agregó." Todo se puede hacer biológicamente. Pero el desafío radica en desarrollar vías renovables sostenibles hacia él. Y entonces aquí hemos dado un paso bastante importante en ese sentido, donde hemos podido demostrar una química artificial dentro de una célula, una célula cultivada viva en crecimiento, que es inherentemente escalable ".

Hartwig está de acuerdo.

"La perspectiva más amplia es poder crear organismos que produzcan productos no naturales que combinen la química de la naturaleza con la química de laboratorio, ", Dijo Hartwig." Pero la química de laboratorio ahora ocurriría dentro de la célula. Si pudiéramos hacer esto de manera general, podríamos diseñar organismos para fabricar todo tipo de drogas, agroquímicos e incluso productos químicos básicos, como monómeros para polímeros, que aprovecharía la eficiencia y selectividad de la fermentación y la biocatálisis ".