La luteína se clasifica como una xantofila química abundante en la yema de huevo, las frutas y las verduras. Protege el ojo del daño oxidativo de la radiación y reduce el riesgo de enfermedades oculares, incluida la degeneración macular y las cataratas. Los productos comercializados que contienen luteína se derivan de los extractos de la flor de caléndula, que se sabe que alberga abundantes cantidades de luteína. Sin embargo, el inconveniente de la producción de luteína de la naturaleza es que lleva mucho tiempo cultivar y cosechar las flores de caléndula. Además, requiere extracciones adicionales de base física y química con bajo rendimiento, lo que lo hace inviable económicamente en términos de productividad. El alto costo y el bajo rendimiento de estos bioprocesos han dificultado satisfacer fácilmente la demanda de luteína.

Estos desafíos inspiraron a los ingenieros metabólicos de KAIST, incluidos los investigadores Dr. Seon Young Park, Ph.D. El candidato Hyunmin Eun y el distinguido profesor Sang Yup Lee del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular. El estudio del equipo fue publicado en Nature Catalysis el 5 de agosto de 2022.

Esta investigación detalla la capacidad de producir luteína a partir de E. coli con un alto rendimiento utilizando una fuente de carbono barata, el glicerol, a través de la ingeniería metabólica de sistemas. El grupo de investigación se centró en resolver los cuellos de botella de la ruta biosintética para la producción de luteína construida dentro de una célula individual. Primero, usando ingeniería metabólica de sistemas, que es una tecnología integrada para modificar el metabolismo de un microorganismo, se produjo luteína cuando se introdujo la vía de biosíntesis de luteína, aunque en cantidades muy pequeñas.

Para mejorar la productividad de la producción de luteína, primero se identificaron las enzimas cuello de botella dentro de la ruta metabólica. Resultó que las reacciones metabólicas que involucran una enzima promiscua, una enzima que participa en dos o más reacciones metabólicas, y las enzimas del citocromo P450 que requieren electrones son los principales pasos de cuello de botella de la vía que inhibe la biosíntesis de luteína.

Para superar estos desafíos, se empleó la canalización de sustratos, una estrategia para reclutar artificialmente enzimas en la proximidad física dentro de la célula para aumentar las concentraciones locales de sustratos que se pueden convertir en productos, para canalizar más flujo metabólico hacia el químico objetivo mientras se reduce la formación de subproductos no deseados.

Además, se aplicó la canalización de electrones, una estrategia similar a la canalización de sustratos pero que difiere en términos de aumentar las concentraciones locales de electrones necesarios para las reacciones de oxidorreducción mediadas por P450 y sus socios reductasas, para optimizar aún más el flujo metabólico hacia la biosíntesis de luteína, lo que condujo a la el título más alto de producción de luteína logrado en un huésped bacteriano jamás informado. La misma estrategia de canalización de electrones se aplicó con éxito para la producción de otros productos naturales, como la nootkatona y la apigenina en E. coli, lo que demuestra la aplicabilidad general de la estrategia en el campo de la investigación.

"Se espera que esta producción de luteína basada en la fábrica de células microbianas pueda reemplazar el proceso actual basado en la extracción de plantas", dijo el Dr. Seon Young Park, el primer autor del artículo. Explicó que otro punto importante de la investigación es que las estrategias integradas de ingeniería metabólica desarrolladas a partir de este estudio pueden ser de aplicación general para la producción eficiente de otros productos naturales útiles como productos farmacéuticos o nutracéuticos.

"Dado que mantener una buena salud en una sociedad que envejece es cada vez más importante, esperamos que la tecnología y las estrategias desarrolladas aquí desempeñen un papel fundamental en la producción de otros productos naturales valiosos de importancia médica o nutricional", explicó el distinguido profesor Sang Yup Lee. + Explora más

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