Primer paso hacia la fijación sintética de CO2 en células vivas
Tres módulos de un nuevo ciclo de fijación del CO2 en la naturaleza aplicado con éxito en E. coli
La biología sintética ofrece la oportunidad de construir vías bioquímicas para la captura y conversión del dióxido de carbono (CO2). Investigadores del Instituto Max-Planck de Microbiología Terrestre han desarrollado un ciclo bioquímico sintético que convierte directamente el CO2 en acetil-CoA. Los investigadores lograron implantar cada uno de los tres módulos del ciclo en la bacteria E.coli, lo que representa un gran paso hacia la realización de vías sintéticas de fijación del CO2 en el contexto de las células vivas.
El desarrollo de nuevas vías para la captura y conversión del CO2 es clave para hacer frente a la emergencia climática. La biología sintética abre vías para diseñar nuevas vías de fijación de CO2 que capturen CO2 de forma más eficiente que las desarrolladas por la naturaleza. Sin embargo, hacer realidad esas vías nuevas en distintos sistemas in vitro e in vivo sigue siendo un reto fundamental. Ahora, los investigadores del grupo de Tobias Erb han diseñado y construido una nueva vía sintética de fijación del CO2, el llamado ciclo THETA. Contiene varios metabolitos centrales como intermediarios, y con el bloque central de construcción, acetil-CoA, como salida. Esta característica permite dividirla en módulos e integrarla en el metabolismo central de E. coli.
El ciclo THETA completo incluye 17 biocatalizadores y se diseñó en torno a las dos enzimas fijadoras de CO2 más rápidas conocidas hasta la fecha: la crotonil-CoA carboxilasa/reductasa y la fosfoenolpiruvato carboxilasa. Los investigadores encontraron estos potentes biocatalizadores en bacterias. Aunque cada una de las carboxilasas puede capturar CO2 más de 10 veces más rápido que la RubisCO, la enzima fijadora de CO2 de los cloroplastos, la propia evolución no ha reunido estas enzimas tan capaces en la fotosíntesis natural.
El ciclo THETA convierte dos moléculas de CO2 en una de acetil-CoA en un ciclo. El acetil-CoA es un metabolito central en casi todo el metabolismo celular y sirve como componente básico para una amplia gama de biomoléculas vitales, como biocombustibles, biomateriales y productos farmacéuticos, lo que lo convierte en un compuesto de gran interés en aplicaciones biotecnológicas. Al construir el ciclo en tubos de ensayo, los investigadores pudieron confirmar su funcionalidad. Entonces empezó el entrenamiento: mediante una optimización racional y guiada por el aprendizaje automático a lo largo de varias rondas de experimentos, el equipo pudo mejorar el rendimiento de acetil-CoA en un factor de 100. Para comprobar su viabilidad in vivo, la incorporación a la célula viva debía realizarse paso a paso. Para ello, los investigadores dividieron el ciclo THETA en tres módulos, cada uno de los cuales se implantó con éxito en la bacteria E. coli. La funcionalidad de estos módulos se verificó mediante selección acoplada al crecimiento y/o etiquetado isotópico.
"Lo especial de este ciclo es que contiene varios intermediarios que sirven como metabolitos centrales en el metabolismo de la bacteria. Este solapamiento ofrece la oportunidad de desarrollar un enfoque modular para su aplicación", explica Shanshan Luo, autor principal del estudio. "Hemos podido demostrar la funcionalidad de los tres módulos individuales en E. coli. Sin embargo, aún no hemos conseguido cerrar todo el ciclo para que E . coli pueda crecer completamente con CO2", añade. Cerrar el ciclo THETA sigue siendo un reto importante, ya que las 17 reacciones deben sincronizarse con el metabolismo natural de E . coli, que naturalmente implica entre cientos y miles de reacciones. Sin embargo, demostrar el ciclo completo in vivo no es el único objetivo, subraya el investigador. "Nuestro ciclo tiene el potencial de convertirse en una plataforma versátil para producir compuestos valiosos directamente a partir del CO2 mediante la ampliación de su molécula de salida, la acetil-CoA", afirma Shanshan Luo.
"Introducir partes del ciclo THETA en células vivas es una importante prueba de principio para la biología sintética", añade Tobias Erb. "La implementación modular de este ciclo en E. coli allana el camino para la realización de vías de fijación de CO2 altamente complejas y ortogonales, nuevas para la naturaleza, en fábricas celulares. Estamos aprendiendo a reprogramar completamente el metabolismo celular para crear un sistema operativo autótrofo sintético para la célula."
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Publicación original
Luo, S.; Diehl, C.; He, H.; Bae, Y.J.; Klose, M.; Claus, P.; Cortina, N.S.; Fernandez, C. A.; Schulz-Mirbach, H.; McLean, R.; Rojas, A.A.R.; Schindler, D.; Paczia, N.; Erb, T.J.; Construction and modular implementation of the THETA cycle for synthetic CO2 fixation; Nature Catalysis, 20 Dec 2023
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