Los microbios que funcionan con luz son fábricas químicas superproductoras
Un nuevo método permite a las bacterias utilizar la luz como energía externa para acelerar la biofabricación de los compuestos deseados sin alterar el metabolismo natural del microorganismo anfitrión
Compartir es la clave de la vida en sociedad, ya sea que los niños pequeños compartan sus juguetes o que las naciones compartan sus recursos naturales; pero no se puede evitar el hecho de que si una parte obtiene más, la otra obtiene menos. Ahora, investigadores de la Universidad de Osaka, en colaboración con la Universidad de Shizuoka y la Universidad de Kobe, han encontrado una forma de sortear la necesidad de compartir la energía en la biofabricación, de modo que las vías celulares dedicadas a generar el producto siempre reciban más.
Por lo general, E. coli bombea protones al espacio extracelular mediante la cadena respiratoria consumiendo átomos de carbono en el ciclo TCA, produce ATP mediante la ATP sintasa utilizando el gradiente de protones generado a través de la membrana, e impulsa diversas actividades metabólicas utilizando el ATP. Por el contrario, nuestra E. coli de ingeniería que expresa rodopsina puede bombear protones utilizando la energía de la luz y producir ATP sin perder átomos de carbono en forma de CO2. Por lo tanto, la célula puede producir efectivamente algunas sustancias químicas útiles que requieren ATP para la síntesis.
Kiyotaka Y. Hara
En un estudio publicado recientemente en Metabolic Engineering, los investigadores han revelado que los microorganismos pueden ser diseñados para utilizar la luz como energía, liberando recursos celulares para producir productos biomanufacturados.
Los microorganismos modificados metabólicamente se utilizan para producir diversas sustancias químicas útiles en todo el mundo, pero hay un problema: tanto el crecimiento microbiano como la síntesis química requieren una molécula llamada ATP como fuente de energía. Por eso, mantener las "fábricas" celulares en buen estado limita la producción química.
"Los microorganismos que producen sustancias útiles suelen desarrollarse modificando el metabolismo para convertir la energía que normalmente se utilizaría para el crecimiento en un recurso para sintetizar estas sustancias objetivo", explica Yoshihiro Toya, primer autor del estudio. "Pensamos que, en cambio, podíamos utilizar la luz, una fuente de energía externa, para mejorar la producción de sustancias útiles sin alterar el metabolismo natural de los microorganismos".
Para comprobarlo, los investigadores introdujeron una proteína de membrana heteróloga llamada rodopsina en Escherichia coli, un microorganismo habitual en la fabricación de productos biológicos. La rodopsina es una bomba que se activa con la luz, y la acción de la bomba conduce a la generación de ATP sin utilizar la maquinaria natural de la célula (conocida como ciclo TCA y cadena respiratoria) para producirlo. Este enfoque tiene la ventaja añadida de reducir la emisión de dióxido de carbono, un subproducto del ciclo TCA.
"Los resultados demostraron claramente el éxito de nuestra estrategia", afirma Kiyotaka Y. Hara, director del proyecto. "Las células que expresaban rodopsina generaban un número significativamente mayor de productos químicos cuando se exponían a la luz, y el flujo de carbono en estas células se desviaba de la generación de energía y se dirigía hacia la síntesis química".
Una vez que demostraron que este concepto funcionaba para varios compuestos como el 3-hidroxipropionato, el mevalonato y el glutatión, los investigadores pasaron a crear tres nuevas cepas de E. coli. Una de estas cepas expresaba superrodopsinas con actividades de bombeo aún mejores que la rodopsina original que se probó; esta cepa fue desarrollada por el grupo del Dr. Toya en la Universidad de Osaka. Las otras dos cepas incorporaban sistemas biológicos sintéticos que proporcionaban un suministro intrínseco de retinal, el activador de la rodopsina, y optimizaban la expresión equilibrada de múltiples genes en la vía metabólica pertinente; estas cepas fueron creadas por el grupo del Dr. Jun Ishii en la Universidad de Kobe. Por último, el grupo del Dr. Hara, de la Universidad de Shizuoka, integró todos estos sistemas en una única cepa de E. coli que produce una sustancia química en función de la luz.
"Nuestros hallazgos sugieren que los microorganismos biológicos diseñados para utilizar la luz como fuente de energía pueden emplearse para biosintetizar eficazmente compuestos útiles", afirma Hara.
Se espera que este nuevo enfoque aumente la eficiencia de la producción de materiales útiles a través de la fermentación y otros bioprocesos, reduciendo al mismo tiempo las emisiones de carbono.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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