Gracias a una característica menos conocida de la microbiología, los investigadores de la Universidad Estatal de Michigan han ayudado a abrir una puerta que podría conducir a la fabricación de medicamentos, vitaminas y más a costos más bajos y con mayor eficiencia.

El equipo de investigación internacional, dirigido por Henning Kirst y Cheryl Kerfeld en la Facultad de Ciencias Naturales, reutilizó lo que se conoce como microcompartimentos bacterianos y los programó para producir sustancias químicas valiosas a partir de ingredientes básicos económicos.

El equipo publicó su trabajo el 22 de febrero en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Los microcompartimentos son como nanorreactores o nanofábricas", dijo Kirst, investigadora asociada sénior en el laboratorio de Kerfeld, que opera tanto en la MSU como en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Kirst, Kerfeld y sus compañeros de equipo vieron los microcompartimentos como una oportunidad para llevar reacciones químicas importantes al siguiente nivel. En las últimas décadas, los investigadores han aprovechado el poder de las enzimas que se encuentran en las bacterias para crear productos químicos valiosos, incluidos biocombustibles y medicamentos.

Sin embargo, en esas aplicaciones industriales, los químicos a menudo confían en el microorganismo completo para producir el compuesto deseado, lo que, según Kirst, puede generar complicaciones e ineficiencias.

"La analogía que usamos es que es como una casa. Si tienes reacciones en todo el lugar, puede volverse muy complejo", dijo Kirst. "Imagina que empiezas a ducharte en el sótano, pero luego tienes que ir al segundo piso a buscar champú, luego al sótano para terminar de ducharte y luego al primer piso a buscar tu toalla. Es muy ineficiente".

En el caso de los microorganismos, la bacteria puede producir un ingrediente en un lado de su célula, mientras que la enzima específica que usa ese ingrediente para hacer el producto final está en el otro lado. Entonces, incluso si ese ingrediente puede hacer el viaje a través de la célula, hay otras enzimas en el camino que podrían arrebatarlo y usarlo para otra cosa.

Las enzimas, sin embargo, viven en microcompartimentos bacterianos, que son como habitaciones dentro de la casa que es la célula. Los investigadores y sus colegas demostraron que podían diseñar microcompartimentos para optimizar una reacción específica, reuniendo las enzimas y los ingredientes necesarios en el mismo espacio más pequeño, en lugar de tenerlos dispersos.

"Estamos poniendo todo lo que necesitamos para una tarea en la misma habitación", dijo Kirst. "La compartimentación nos brinda mucho más control y mejora la eficiencia".

"Es como trabajar en un departamento de eficiencia versus Spelling Manor", dijo Kerfeld, profesora distinguida de Hannah en MSU (Spelling Manor es una propiedad enorme en Los Ángeles, tiene más de 100 habitaciones y más de 50,000 pies cuadrados). Kerfeld también trabaja en el Laboratorio de Investigación de Plantas MSU-DOE, que cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU.

Como prueba de concepto, el equipo diseñó un sistema de microcompartimentos que podría convertir los compuestos simples y económicos de formiato y acetato en piruvato.

"El piruvato también es un precursor relativamente simple para prácticamente cualquier cosa que la biología pueda hacer, por ejemplo, productos farmacéuticos, vitaminas y saborizantes", dijo Kirst. "Pero creemos que todo el principio es muy generalizable a muchas otras vías metabólicas que sería interesante explorar".

Y no son los únicos que piensan así.

"El sistema descrito aquí se puede utilizar como plataforma en proyectos de ingeniería ambiciosos", escribió Volker Müller en un comentario sobre la investigación. Müller es el director del Departamento de Microbiología y Bioenergética de la Universidad Goethe de Frankfurt y no participó en el proyecto.

"Esto es emocionante y allana el camino para usar la estrategia de ingeniería (microcompartimentos bacterianos) para la producción de varios compuestos a partir de sustratos baratos", dijo.

Los microcompartimentos bacterianos son similares a los orgánulos o pequeños "órganos" que se encuentran en las células de los eucariotas, que incluyen plantas, humanos y otros animales. Aunque se encuentran en muchos tipos diferentes de bacterias, donde ayudan a llevar a cabo una multitud de reacciones, aún son relativamente nuevos para la ciencia. Fue necesario el advenimiento de la microscopía electrónica de alta resolución y la secuenciación genética asequible para que los investigadores apreciaran cuán extendidos y versátiles son estos compartimentos, explicó Kerfeld.

Trabajando con investigadores del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas, los investigadores de Spartan han reforzado esa versatilidad. Han demostrado cómo los científicos pueden crear versiones de estos compartimentos que no se encuentran en la naturaleza.

"Podemos tomar la arquitectura del compartimento y poner en un tipo de reacción totalmente nuevo", dijo Kerfeld. "Esta estrategia podría aplicarse de muchas maneras diferentes para muchos usos diferentes, incluso usos que no son compatibles con las bacterias".

"Creo que ese es el mayor logro", dijo Kirst. "Dimos un gran paso hacia la fabricación de un orgánulo bacteriano sintético". + Explora más

Mampostería de la naturaleza:los primeros pasos en cómo las delgadas láminas de proteína forman caparazones poliédricos