Los microbios se pueden diseñar para producir una variedad de compuestos útiles, incluidos plásticos, biocombustibles y productos farmacéuticos. Sin embargo, en muchos casos, estos productos compiten con las vías metabólicas que las células necesitan para alimentarse y crecer.

Para ayudar a optimizar la capacidad de las células para producir los compuestos deseados, pero también para mantener su propio crecimiento, los ingenieros químicos del MIT han ideado una forma de inducir a las bacterias a cambiar entre diferentes rutas metabólicas en diferentes momentos. Estos interruptores se programan en las células y se activan por cambios en la densidad de población, sin necesidad de intervención humana.

"Lo que esperamos es que esto permita una regulación más precisa del metabolismo, que nos permita obtener una mayor productividad, pero de una manera en que minimicemos el número de intervenciones", dice Kristala Prather, la profesora Arthur D. Little de Química Ingeniería y el autor principal del estudio.

Este tipo de cambio permitió a los investigadores aumentar hasta diez veces los rendimientos microbianos de dos productos diferentes.

La estudiante graduada del MIT Christina Dinh es la autora principal de el papel, que aparece en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias esta semana.

Doble interruptor

Para hacer que los microbios sinteticen compuestos útiles que normalmente no producen, los ingenieros insertan genes para las enzimas involucradas en la vía metabólica, una cadena de reacciones que generan un producto específico. Este enfoque ahora se utiliza para producir muchos productos complejos, como productos farmacéuticos y biocombustibles.

En algunos casos, los intermedios producidos durante estas reacciones también son parte de las vías metabólicas que ya existen en las células. Cuando las células desvían estos intermedios fuera de la ruta de ingeniería, disminuye el rendimiento general del producto final.

Utilizando un concepto llamado ingeniería metabólica dinámica, Prather ha construido previamente interruptores que ayudan a las células a mantener el equilibrio entre sus propias necesidades metabólicas y la vía que produce el producto deseado. Su idea era programar las células para cambiar de manera autónoma entre las rutas, sin la necesidad de ninguna intervención por parte de la persona que opera el fermentador donde tienen lugar las reacciones.

En un estudio publicado en 2017, El laboratorio de Prather utilizó este enfoque para programar E. coli para producir ácido glucárico, un precursor de productos como nylons y detergentes. La estrategia de los investigadores se basó en la detección de quórum, un fenómeno que las células bacterianas normalmente usan para comunicarse entre sí. Cada especie de bacteria secreta moléculas particulares que les ayudan a detectar microbios cercanos e influir en el comportamiento de cada uno.

El equipo del MIT diseñó su E. coli células para secretar una molécula sensora de quórum llamada AHL. Cuando las concentraciones de AHL alcanzan cierto nivel, las células apagan una enzima que desvía un precursor del ácido glucárico a una de las vías metabólicas de las células. Esto permite que las células crezcan y se dividan normalmente hasta que la población sea lo suficientemente grande como para comenzar a producir grandes cantidades del producto deseado.

"Ese documento fue el primero en demostrar que podíamos hacer un control autónomo", dice Prather. "Podríamos comenzar los cultivos, y las células sentirían cuándo era el momento adecuado para hacer un cambio".

En el nuevo PNAS paper, Prather y Dinh se propusieron diseñar múltiples puntos de conmutación en sus celdas, dándoles un mayor grado de control sobre el proceso de producción. Para lograrlo, utilizaron dos sistemas de detección de quórum de dos especies diferentes de bacterias. Incorporaron estos sistemas en E. coli que fueron diseñados para producir un compuesto llamado naringenina, un flavonoide que se encuentra naturalmente en las frutas cítricas y tiene una variedad de efectos beneficiosos para la salud.

Utilizando estos sistemas de detección de quórum, los investigadores diseñaron dos puntos de conmutación en las células. Un interruptor fue diseñado para evitar que las bacterias desvíen un precursor de la naringenina llamado malonil-CoA hacia las vías metabólicas de las células. En el otro punto de cambio, los investigadores retrasaron la producción de una enzima en su ruta de ingeniería, para evitar la acumulación de un precursor que normalmente inhibe la ruta de la naringenina si se acumula demasiado precursor.

"Dado que tomamos componentes de dos sistemas de detección de quórum diferentes, y las proteínas reguladoras son únicas entre los dos sistemas, podemos cambiar el tiempo de conmutación de cada uno de los circuitos de forma independiente", dice Dinh.

Los investigadores crearon cientos de E. coli variantes que realizan estos dos cambios a diferentes densidades de población, lo que les permite identificar cuál fue el más productivo. La cepa de mejor rendimiento mostró un aumento de diez veces en el rendimiento de naringenina sobre las cepas que no tenían estos interruptores de control integrados.

"El artículo aborda un problema importante en el área de la regulación de las vías metabólicas para equilibrar el crecimiento celular frente a la producción de sustancias químicas", dice Radhakrishnan Mahadevan, profesor de ingeniería química en la Universidad de Toronto, que no participó en la investigación. “Anteriormente, los circuitos se enfocaban principalmente en desactivar genes relacionados con el crecimiento, mientras que en esta contribución brindan la flexibilidad para regular a la baja y regular al alza genes específicos en respuesta a un desencadenante. Este avance debería proporcionar un control más flexible de las vías metabólicas y será valioso para optimizar los bioprocesos para mejorar su viabilidad económica ”.

Caminos mas complejos

Los investigadores también demostraron que el enfoque de cambio múltiple podría usarse para duplicar E. coli producción de ácido salicílico, un componente básico de muchas drogas. Este proceso también podría ayudar a mejorar los rendimientos de cualquier otro tipo de producto en el que las células tengan que equilibrar el uso de intermedios para la formación del producto o su propio crecimiento, dice Prather. Los investigadores aún no han demostrado que su método funcione a escala industrial, pero están trabajando para expandir el enfoque hacia vías más complejas y esperan probarlo a mayor escala en el futuro.

"Creemos que ciertamente tiene una aplicabilidad más amplia", dice Prather. “El proceso es muy robusto porque no requiere que alguien esté presente en un punto particular en el tiempo para agregar algo o hacer ningún tipo de ajuste al proceso, sino que permite que las celdas sigan internamente cuándo es el momento de haz un cambio ".

La investigación fue financiada por la National Science Foundation.