30.08.2021 - Northwestern University

Utilizar la levadura para crear procesos petroquímicos alternativos

La integración de la ingeniería celular con la biosíntesis sin células podría conducir a formas eficientes de alimentar la tierra

A medida que el cambio climático sigue haciendo más daño a nuestro planeta, los científicos trabajan para encontrar formas más eficientes y limpias de alimentar la tierra. Una alternativa atractiva a los procesos petroquímicos habituales, que generan importantes gases de efecto invernadero y otros productos de desecho, podría proceder de los sistemas biológicos.

Los recientes trabajos de Michael Jewett, de Northwestern Engineering, y de investigadores de la Universidad de Texas en Austin han permitido avanzar en la comprensión de las vías bioquímicas y aumentar las tasas de producción química de los sistemas biológicos. Los hallazgos podrían acercarnos a la aplicación de alternativas sostenibles para sintetizar materiales, combustibles y otros productos derivados del petróleo.

El artículo "An Integrated In Vivo/In Vitro Framework to Enhance Cell-Free Biosynthesis with Metabolically Rewired Yeast Extracts", publicado el 26 de agosto en la revista Nature Communications, describe el desarrollo de procesos optimizados de biosíntesis in vitro (producción bioquímica) que utilizan extractos celulares de cepas modificadas de Saccharomyces cerevisiae (levadura de cerveza). Junto con Jewett, catedrático Walter P. Murphy de Ingeniería Química y Biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick, el artículo fue escrito por Blake Rasor, estudiante de doctorado en el laboratorio de Jewett. La investigación se realizó en colaboración con el grupo de investigación de Hal Alper, profesor de la Universidad de Texas en Austin.

El trabajo se financió a través del Programa de Oportunidades de Tecnologías Emergentes (ETOP) del Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía de los Estados Unidos. El ETOP proporciona financiación para sembrar el desarrollo de nuevas tecnologías que se ofrece a los investigadores de todo el mundo que aprovechan los programas de usuarios del JGI para avanzar en las aplicaciones energéticas y medioambientales.

Décadas de estudios metabólicos y desarrollo de herramientas genéticas hacen de S. cerevisiae un marco altamente controlable para la producción bioquímica. Más allá de las aplicaciones históricas en panadería y cervecería, esta levadura ha sido diseñada para producir innumerables moléculas objetivo utilizadas en aplicaciones industriales y terapéuticas.

Sin embargo, los sistemas de producción celular tienen un tira y afloja interno entre la producción de más células y la fabricación del producto diseñado. El grupo de Jewett evita estas limitaciones de crecimiento y viabilidad sacando la maquinaria biológica de las células y utilizando el material extraído para reacciones bioquímicas sin células, lo que permite optimizar palancas que no son fáciles de ajustar en las células vivas.

Anteriormente, los esfuerzos de biosíntesis sin células con extractos celulares crudos han utilizado principalmente cepas no modificadas de E. coli. Los investigadores ampliaron el alcance de esta técnica utilizando extractos de S. cerevisiae e incorporando técnicas de ingeniería metabólica celular para mejorar el potencial biosintético de las reacciones sin células. Esto demuestra que el reordenamiento metabólico en las células produce extractos con mayor producción volumétrica que los extractos de tipo salvaje (sin cambios) y los correspondientes cultivos celulares.

En concreto, la producción sin células de tres productos químicos (butanediol, glicerol y ácido itacónico) a un ritmo hasta 10 veces más rápido que los correspondientes enfoques celulares apunta a la flexibilidad y eficacia de integrar la ingeniería celular con la biosíntesis sin células.

"Esto podría ampliar la amplitud de las plataformas biológicas que sustentan los esfuerzos en materia de sostenibilidad", dijo Rasor.

"Nuestro trabajo se suma a un área emergente de la ciencia que busca utilizar sistemas libres de células a partir de extractos celulares crudos para el diseño de la función celular, la biofabricación bajo demanda y los diagnósticos portátiles", dijo Jewett, director del Centro de Biología Sintética. "De hecho, estos esfuerzos están ampliando la definición de la biofabricación para construir una bioeconomía sostenible".

En cuanto a los próximos pasos, Jewett dijo que él y sus colaboradores están aprovechando este trabajo tanto para la creación de prototipos de vías en el contexto del metabolismo alterado como para la biofabricación sin células para complementar los enfoques actuales basados en células.

"Ampliar la estrategia de ingeniería metabólica integrada célula/libre de células a cepas de levadura que produzcan otros productos bioquímicos de valor añadido y aumentar la escala de las reacciones libres de células podría encabezar el desarrollo de alternativas sostenibles y económicamente viables a los actuales procesos de producción química", dijo.

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