Una enzima en el campo de entrenamiento: captura y uso eficiente del CO2
la "Lactil-CoA mutasa", que no se encuentra en la naturaleza, se desarrolló específicamente para vías metabólicas sintéticas eficientes
Un equipo de investigadores dirigido por el profesor Tobias Erb, del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre de Marburgo, ha logrado desarrollar una nueva enzima. La "lactil-CoA mutasa" puede convertir eficazmente un compuesto metabólico clave en productos valiosos. Para lograrlo, el equipo de investigadores recurrió a la evolución para entrenar las capacidades de una enzima natural en el laboratorio. El objetivo de la investigación es, entre otros, encontrar una futura aplicación en la captura y uso sostenible del gas de efecto invernaderoCO2.
Pocos componentes básicos del metabolismo celular son tan centrales y versátiles como la acetil-coenzima A (acetil-CoA). Como producto de muchas vías de fijacióndel CO2, su utilización en la célula determina la cantidad de biomasa que puede formarse, lo que en última instancia afecta a la eficacia con la que el gas de efecto invernaderoCO2 puede utilizarse en procesos biotecnológicos.
Para crear otros productos y sustancias químicas a partir del acetil-CoA, a menudo hay que convertirlo primero en intermediarios celulares con tres átomos de carbono, como el piruvato. En la naturaleza, las vías metabólicas para este proceso son ineficaces, implican muchos pasos o sólo funcionan en ausencia de oxígeno. Esto significa que, al convertir acetil-CoA en piruvato, o bien se pierde un valioso carbono, o bien las vías son tan largas que malgastan recursos celulares.
Por este motivo, el equipo dirigido por Tobias Erb, del Instituto Max Planck de Marburgo, se propuso crear un "puente" metabólico nuevo y eficaz entre el acetil-CoA y el piruvato, que también permitiera capturar y utilizar eficazmente el gas de efecto invernaderoCO2. El estudio fue fruto de la colaboración con investigadores del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas de Potsdam, y acaba de publicarse en la revista científica Nature Communications.
Una búsqueda impulsada por el diseño teórico
En biología sintética, las nuevas rutas metabólicas se diseñan primero sobre el papel antes de probarlas en el laboratorio. Para este proyecto, el equipo esbozó inicialmente una ruta metabólica teórica que aglutinaríaCO2 adicional y, al mismo tiempo, sería más corta que las rutas conocidas hasta entonces.
El reto era que la actividad enzimática clave necesaria para este proceso, conocida como "Lactil-CoA mutasa", era puramente teórica al principio. Esta actividad aún no se había descrito en la naturaleza. Buscando en bases de datos de enzimas, el equipo identificó una candidata prometedora cuya estructura parecía adecuada para el proceso deseado. En los experimentos, esta enzima podía actuar sobre el sustrato proporcionado, pero lo hacía con extrema lentitud.
¿Cómo se entrena una enzima lenta?
"En la naturaleza, la adaptación constante impulsada por las mutaciones y la selección conduce a la mejora de los rasgos a lo largo del tiempo. En el laboratorio aprovechamos este proceso en una versión acelerada para optimizar nuestra enzima", explica Helena Schulz-Mirbach, investigadora doctoral del equipo de Tobias Erb y una de las primeras autoras del estudio. "Para evitar que la capacidad recién adquirida se perdiera por nuevas mutaciones, acoplamos el crecimiento de una bacteria Escherichia coli modificada a la actividad enzimática deseada. Desarrollar una cepa que pudiera utilizar esta enzima lenta para su crecimiento fue cualquier cosa menos trivial."
Entrenamiento en un organismo vivo
En el segundo paso, esta cepa se sometió a una evolución acelerada en el laboratorio, un proceso denominado "evolución adaptativa de laboratorio (EAL)". Se introdujeron mutaciones y luego se seleccionaron en función de los rasgos deseables. Las variantes resultantes de la lactotil-CoA mutasa no sólo eran más rápidas y favorecían un mejor crecimiento en la cepa, sino que -lo que es crucial- también funcionaban fuera de la bacteria en un proceso químico simplificado en el tubo de ensayo(in vitro). Aquí, la enzima mejorada demostró un rendimiento entre 5 y 10 veces superior en comparación con su precursor natural.
"Nuestro estudio es un excelente ejemplo de cómo podemos utilizar los mecanismos del metabolismo y la evolución en células vivas para optimizar una propiedad deseada para aplicaciones en biología sintética y bioquímica sin células. Sólo combinando estos enfoques hemos podido identificar variantes enzimáticas mejoradas", afirma Philipp Wichmann, que dirigió el trabajo in vitro del estudio.
Optimización adicional y objetivos de investigación
"Sin embargo, nuestra enzima aún necesita ser mejorada: En comparación con otras enzimas de la naturaleza, la lacto-CoA mutasa sigue siendo bastante lenta", añade el Dr. Ari Satanowski, que ayudó a diseñar y dirigir el proyecto. Uno de los principales objetivos de la investigación futura será conseguir que esta enzima sea más rápida para poder utilizarla en diversas aplicaciones". Esta ruta metabólica totalmente nueva entre acetil-CoA y piruvato abre nuevas posibilidades, como la producción de 3-hidroxipropionato, un precursor de los plásticos sostenibles de origen biológico.
"También queremos saber más sobre la enzima en sí", dice Helena Schulz-Mirbach. "Sabemos qué mutaciones mejoran su actividad, pero aún no sabemos cómo lo consiguen exactamente. Al resolver la estructura de la enzima, esperamos descubrir más sobre su mecanismo de reacción y los efectos de estas mutaciones."
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.
Publicación original
Helena Schulz-Mirbach, Philipp Wichmann, Ari Satanowski, Helen Meusel, Tong Wu, Maren Nattermann, Simon Burgener, Nicole Paczia, Arren Bar-Even, Tobias J. Erb; "New-to-nature CO2-dependent acetyl-CoA assimilation enabled by an engineered B12-dependent acyl-CoA mutase"; Nature Communications, Volume 15, 2024-11-26
Más noticias del departamento ciencias
Reciba la industria de las ciencias biológicas en su bandeja de entrada
No se pierda nada a partir de ahora: Nuestro boletín electrónico de biotecnología, productos farmacéuticos y ciencias de la vida le pone al día todos los martes y jueves. Las últimas noticias del sector, los productos más destacados y las innovaciones, de forma compacta y fácil de entender en su bandeja de entrada. Investigado por nosotros para que usted no tenga que hacerlo.
