Investigadores de la Universidad de Kobe han desarrollado con éxito un chasis de tirosina (una cepa de microorganismo con alta productividad de tirosina) en la levadura Pichia pastoris mediante ingeniería racional. Además, utilizaron este chasis de tirosina para desarrollar células inteligentes que pueden producir los compuestos derivados de plantas resveratrol, naringenina, norcoclaurina y reticulina, respectivamente. Estos compuestos tienen una amplia gama de aplicaciones; por ejemplo, se utilizan para agregar nutrición a los alimentos y como materia prima para medicamentos. Se espera que este chasis de tirosina se pueda utilizar como punto de partida para la biosíntesis de alto rendimiento de diversos compuestos útiles y productos químicos genéricos.

Este estudio de la Universidad de Kobe fue realizado por un grupo de investigación que incluía Ph.D. el estudiante Kumokita Ryota (Escuela de Graduados en Ciencias, Tecnología e Innovación) y el profesor Hasunuma Tomohisa (Centro de Investigación en Ingeniería Biológica).

Los resultados de esta investigación se publicaron en la revista científica internacional ACS Synthetic Biology el 16 de mayo de 2022.

Los compuestos aromáticos bioactivos derivados de plantas, como los estilbenoides, los flavonoides y los alcaloides de bencilisoquinolina (BIA), se producen a partir de la tirosina. Estos compuestos tienen una amplia gama de aplicaciones en muchas industrias, incluidas las industrias de producción química, alimentaria, cosmética y farmacéutica. Estos compuestos aromáticos se producen actualmente por extracción directa de las plantas, sin embargo, solo se encuentran pequeñas cantidades dentro de las plantas y el rendimiento depende en gran medida del clima y el clima. No hay un suministro estable.

En los últimos años, los avances en biología sintética han llevado al desarrollo de técnicas para producir compuestos útiles. Estas técnicas aprovechan la capacidad de los microorganismos para producir sustancias mediante la introducción de vías metabólicas derivadas de plantas en el microorganismo para que produzca el compuesto objetivo. De los microorganismos, las levaduras han recibido atención como anfitriones para la producción de compuestos porque sobresalen en la biosíntesis de compuestos derivados de plantas. Sin embargo, el potencial de las levaduras para producir compuestos derivados de la tirosina no estaba claro ya que se habían informado pocos éxitos.

En este estudio, los investigadores comenzaron creando una cepa de levadura que pudiera producir altos rendimientos de tirosina. Usando esta nueva cepa como punto de partida, realizaron alteraciones en su metabolismo para lograr el objetivo antes mencionado de producir altos rendimientos de varios compuestos útiles. El tipo de levadura en el que se centraron fue P. pastoris. P. pastoris se multiplica rápidamente en condiciones aeróbicas y no produce subproductos fermentativos (etanol), lo que significa que tiene el potencial de producir altos rendimientos de un compuesto objetivo en un corto período de tiempo. Sin embargo, ningún estudio informó sobre la producción de compuestos derivados de tirosina en P. pastoris y no se sabía qué genes serían útiles para producir altos rendimientos. Mientras realizaban una evaluación simple de la cantidad de tirosina producida, los investigadores también buscaron genes que mejoraran la producción de tirosina. Luego evaluaron el potencial de P. pastoris para biosintetizar compuestos útiles derivados de la tirosina mediante la introducción de vías de biosíntesis en la levadura para cada uno de los siguientes:el estilbenoide resveratrol, el flavonoide naringenina y los BIA norcoclaurina y reticulina.

En primer lugar, los investigadores se propusieron encontrar genes en cepas de levadura que aumentaran la producción de tirosina. Para ello, se centraron en la betaxantina, que se puede producir a partir de la tirosina en una reacción de 3 pasos (Figura 1).

La betaxantina es un pigmento amarillo que emite una fluorescencia verde. Por lo tanto, es fácil evaluar la fuerza del flujo metabólico a la tirosina observando la intensidad y el color de la fluorescencia. Al crear este método de evaluación, los investigadores descubrieron genes que mejoraron la productividad de tirosina y usaron este conocimiento para desarrollar con éxito una cepa de P. pastoris con alta productividad de tirosina (Figura 2).

El siguiente objetivo de los investigadores fue mejorar la tasa de producción de varios compuestos útiles derivados de la tirosina modificando el metabolismo de la cepa de alta productividad. Lograron mejorar en gran medida la producción de resveratrol, naringenina y norcoclaurina mediante la introducción de rutas de biosíntesis específicas (Figura 1) para cada uno, lo que reveló que P. pastoris puede producir altos rendimientos de compuestos derivados de la tirosina (Figura 3).

Posteriormente, el grupo de investigación analizó exhaustivamente los metabolitos intracelulares en la nueva cepa de P. pastoris que desarrollaron e investigó el mecanismo de la alta productividad de tirosina. Los resultados revelaron que una gran cantidad de metabolitos de la ruta del shikimato involucrados en la tirosina y la síntesis de tirosina se acumularon en la cepa modificada (Figura 4). Estos resultados muestran que la modificación del metabolismo mejoró con éxito el flujo metabólico a la tirosina. Existe un potencial futuro para aumentar aún más la producción de compuestos útiles que pueden biosintetizarse a partir de la tirosina mediante la optimización del metabolismo de la vía del shikimato.

Por último, los investigadores se propusieron producir compuestos derivados de la tirosina mediante la fermentación con glicerol crudo como medio de crecimiento. El glicerol crudo es un importante subproducto de desecho de la producción de combustible biodiesel (una alternativa potencial al combustible petroquímico). El grupo de investigación utilizó el líquido (Figura 5, derecha) obtenido de la neutralización de glicerol crudo como medio de cultivo en un experimento de producción microbiana. En este experimento, lograron producir las mismas cantidades de resveratrol, naringenina y norcoclaurina que cuando se usaba glicerol puro. Estos resultados muestran que P. pastoris no solo puede producir compuestos útiles a partir de glicerol puro sino también a partir de glicerol crudo.

El chasis de tirosina desarrollado a través de esta investigación se puede aplicar a la producción fermentativa de varios compuestos útiles y productos químicos genéricos que se pueden biosintetizar a partir de la tirosina. Además, los investigadores esperan aumentar aún más la producción de compuestos derivados de la tirosina mediante el uso de los resultados del análisis del metaboloma de su nueva cepa de P. pastoris como base para la optimización de la vía metabólica. + Explora más

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