El mecanismo de secreción de G6P descubierto en este estudio. Crédito:Universidad de Kobe
Una colaboración de investigación ha descubierto un nuevo mecanismo por el cual la glucosa capturada por E. coli luego se secreta de la célula bacteriana como glucosa-6-fosfato (G6P). Este hallazgo tiene aplicaciones significativas para mejorar los métodos para producir de forma sostenible compuestos aromáticos útiles y materias primas para las industrias de medicamentos, alimentos y química (entre otras) a partir de biomasa. El grupo de investigación estaba formado por el profesor asociado Tanaka Tsutomu de la Escuela de Graduados de Ingeniería de la Universidad de Kobe, el investigador posdoctoral especial Fujiwara Ryosuke y el investigador Noda Shuhei et al. del Centro RIKEN para la Ciencia de los Recursos Sostenibles, y el profesor Umetsu Mitsuo et al. de la Escuela de Graduados de Ingeniería de la Universidad de Tohoku.
Basándose en el mecanismo descubierto, los investigadores desarrollaron con éxito una nueva técnica para aumentar la producción del compuesto objetivo mediante la combinación de la ingeniería metabólica y la ingeniería de la superficie celular.
Se espera que, al aplicar esta técnica, sea posible aumentar en gran medida la cantidad de compuesto objetivo producido mediante la adición de una pequeña cantidad de "especia metabólica" al caldo de cultivo del microbio.
Los resultados de esta investigación se publicaron en Metabolic Engineering el 5 de marzo de 2022.
Puntos principales
Antecedentes de la investigación
Una gran ventaja de los productos derivados de la biomasa (recursos renovables de bajo costo y abundantes en la naturaleza, como la hierba y los árboles) es que son neutros en carbono; su producción y eliminación no aumentan el CO2 atmosférico niveles En las tecnologías de bioproducción, esta biomasa se utiliza como materia prima y se le aplican microbios para producir compuestos objetivo (por ejemplo, compuestos aromáticos para industrias químicas, farmacéuticas y alimentarias, entre otras). El desarrollo de estas tecnologías contribuye a los ODS y es vital para lograr una sociedad baja en carbono.
Gráficos para mostrar la mayor cantidad de producción de fenilalanina. Crédito:Universidad de Kobe
El grupo de investigación del profesor asociado Tanaka ha exhibido enzimas de descomposición de biomasa en la superficie de una variedad de microbios y ha desarrollado tecnología de ingeniería de superficie celular para mejorar la resolución espacial de la biomasa. Los microbios degradan los azúcares que se encuentran en la biomasa vegetal, como la celulosa y los celooligosacáridos, en glucosa. En su estudio anterior, los investigadores diseñaron metabólicamente los microbios para que la glucosa degradada fuera capturada por los microbios y utilizada únicamente para producir el compuesto objetivo.
En el curso de esta investigación, descubrieron un nuevo fenómeno completamente ajeno a la degradación de la biomasa. Descubrieron que la producción del compuesto objetivo aumentaba con la expresión de la enzima en la superficie. Utilizando este fenómeno, demostraron que era posible aumentar la tasa y la cantidad de producción de compuestos derivados de la biomasa, contribuyendo a la descarbonización de la producción de materia. Luego, el grupo realizó más investigaciones con el objetivo de comprender el mecanismo detrás de este fenómeno y aplicarlo a las especias metabólicas.
Metodología de la investigación
Este grupo de investigación descubrió un fenómeno completamente nuevo por el cual una parte de la glucosa capturada por el microorganismo modelo E. coli es expulsada de la célula bacteriana como glucosa-6-fosfato (G6P). Normalmente, los microbios convierten continuamente la glucosa (su fuente de nutrición) en G6P y la capturan dentro de sus células. Hasta ahora, se pensaba que la G6P no se expulsaba de las células bacterianas una vez capturadas. Este estudio reveló un mecanismo novedoso por el cual E. coli expulsa G6P, lo que contradice la teoría comúnmente aceptada. La enzima de degradación de biomasa se expresa en la superficie celular del microbio y expulsa la G6P. Los investigadores descubrieron que atrapar temporalmente esta G6P estimulaba el metabolismo dentro de las células de E. coli, lo que aumentaba la producción del compuesto objetivo.
A continuación, el grupo de investigación utilizó este mecanismo para localizar varias proteínas que pueden atrapar G6P en la superficie celular bacteriana. De esta manera, desarrollaron una nueva técnica para aumentar la producción de compuestos objetivo. Demostraron con éxito la nueva técnica al producir mayores cantidades del aminoácido aromático fenilalanina.
Aplicación de la nueva técnica a la producción de tirosina y ácido mucónico. Crédito:Universidad de Kobe
Diagrama que muestra las técnicas de "especia metabólica":al agregar una pequeña cantidad de una "especia metabólica" al caldo de cultivo, la producción del compuesto objetivo puede aumentar significativamente. Crédito:Universidad de Kobe
Además, también aumentaron la producción del aminoácido aromático tirosina y ácido mucónico (un ácido dicarboxílico útil) mediante el uso de la técnica desarrollada. El ácido mucónico, en particular, es un producto químico industrial muy importante y útil. Se puede convertir fácilmente en ácido adípico, un ingrediente en la producción de nailon y también se utiliza como materia prima en la producción de varios medicamentos y productos químicos. Estos resultados demuestran que esta nueva técnica es muy versátil y se puede aplicar a la producción de diversos compuestos químicos.
Otros desarrollos
El grupo de investigación ha confirmado que, como alternativa a la expresión de proteínas en la superficie de las células bacterianas, es posible que se produzca el mismo fenómeno añadiendo una molécula especial al caldo de cultivo. Los investigadores han denominado a las moléculas pequeñas que poseen esta característica "especias metabólicas" y actualmente están trabajando en su desarrollo. Esperan aumentar la producción del compuesto objetivo simplemente agregando una pequeña cantidad de especia metabólica al caldo de cultivo del microbio, sin necesidad de modificar genéticamente el microbio.
Además, esta técnica mejora rutas metabólicas específicas y aumenta el suministro de precursores de diversas sustancias útiles). También se puede aplicar incluso en los casos en que no se pueda determinar el producto final. Además, los resultados de este estudio han demostrado que un nivel moderado de selectividad y afinidad con G6P es suficiente.
El enfoque de especias metabólicas es diferente a los enfoques existentes para descubrir productos químicos con alta selectividad y afinidad. Por lo tanto, es probable que haya nuevos candidatos para el enfoque de especias metabólicas entre los 'químicos rechazados' catalogados en las bibliotecas químicas mantenidas por varias industrias. Se espera que esto conduzca a nuevas colaboraciones entre el mundo académico y la industria, incluso con empresas que no tienen una participación previa en la bioproducción. Nueva estrategia de ingeniería metabólica mejora la bioproducción de materias primas poliméricas
