Una nueva estrategia de ingeniería metabólica para la utilización eficaz del azúcar por parte de los microbios mejora la bioproducción de materias primas poliméricas

Un grupo de investigación, formado por el estudiante de doctorado FUJIWARA Ryosuke, el profesor asociado TANAKA Tsutomu (ambos de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Kobe) y el científico investigador NODA Shuhei (Centro RIKEN para la Ciencia de Recursos Sostenibles), ha logrado mejorar el rendimiento de la producción química objetivo a partir de biomasa. Lo lograron mediante la ingeniería metabólica de las bacterias utilizadas en la bioproducción, de modo que utilizaran diferentes tipos de azúcar absorbidos de la biomasa para fines distintos. Se encuentran problemas al utilizar microbios para producir sustancias químicas objetivo; Si los microbios utilizan las fuentes de carbono (azúcares) para su propia propagación, la producción química objetivo disminuye. Por otro lado, suprimir esta propagación hace que los microbios se debiliten, lo que resulta en una disminución general de la producción. Para intentar resolver este problema, el equipo de investigación desarrolló una nueva estrategia llamada Ingeniería de vías metabólicas paralelas (PMPE), que les permite controlar tanto la producción química objetivo como la propagación de microbios. Utilizaron este enfoque para alterar la bacteria E. coli con el fin de impulsar con éxito la producción del ácido mucónico precursor del nailon. Si es posible utilizar la fuente de carbono seleccionada únicamente para la producción química objetivo y utilizar las fuentes restantes para la propagación de microbios, se lograrán grandes avances en la producción de compuestos aromáticos y materias primas para productos médicos y químicos. Los resultados de esta investigación se publicaron por primera vez en Nature Communications el 14 de enero. Puntos principales Desarrollo de la estrategia PMPE que permite controlar de forma independiente la utilización de azúcares para la propagación de microbios y la producción de sustancias químicas objetivo. Utilizando este enfoque, el grupo de investigación aumentó con éxito la producción de ácido mucónico (la sustancia química objetivo). El PMPE se puede aplicar a la producción de diversas materias primas, como compuestos aromáticos y ácido dicarboxílico, utilizados en productos químicos y medicamentos. Se espera que mejore la utilización efectiva de materias primas, como la biomasa, que contienen múltiples azúcares. Antecedentes de la investigación Dependemos de los combustibles fósiles como materia prima para producir diversos productos. Sin embargo, la producción de compuestos derivados del petróleo aumenta la cantidad de CO2 atmosférico, provocando multitud de problemas medioambientales como el calentamiento global. En consecuencia, existe la necesidad de desarrollar tecnologías de biorrefinería (*1), que impliquen el uso de microbios para producir compuestos químicos a partir de recursos renovables naturalmente abundantes, como la materia de árboles y plantas. Los productos derivados de la biomasa tienen la ventaja de ser neutros en carbono (*2); no aumentan la cantidad de CO2 en la atmósfera. Se espera que el uso de biomasa para producir diversos compuestos útiles pueda formar la base de una sociedad baja en carbono, reduciendo la cantidad de CO2 atmosférico. El ácido mucónico es una sustancia química útil que se puede convertir fácilmente en ácido adípico, un ingrediente en la producción de nailon. También se utiliza como materia prima en la producción de diversos productos médicos y químicos. Sin embargo, actualmente se sintetiza químicamente a partir de recursos petrolíferos. Se espera que se pueda desarrollar un método de fermentación utilizando microbios y recursos vegetales renovables con condiciones de reacción más suaves y menos subproductos. Sin embargo, existen problemas con el uso de microbios para producir sustancias químicas específicas a partir de biomasa. Hay muchos casos en los que, aunque los microbios utilizan la biomasa, se propagan en lugar de producir la sustancia química objetivo. Sin embargo, alterar el metabolismo para evitar que los microbios aumenten hace que se debiliten, lo que significa que las sustancias químicas objetivo no se pueden sintetizar. El equilibrio entre la autopropagación de los microbios y la producción química objetivo es un gran problema. Para resolver este dilema, el equipo de investigación desarrolló una nueva técnica llamada Ingeniería de vías metabólicas paralelas (PMPE) en la que separaron la utilización del azúcar entre la propagación de microbios y la producción química objetivo, lo que les permitió controlar cada proceso de forma independiente. Contenido de la investigación La biomasa lignocelulósica, que no compite con el suministro mundial de alimentos, está compuesta de glucosa y azúcares xilosa. El equipo de investigación desarrolló una estrategia metabólica que implicaba modificar la bacteria E. coli para que utilizara glucosa para la producción química objetivo y xilosa para la propagación de microbios. En los microbios normales, la glucosa y la xilosa utilizan la misma vía metabólica y ambas se utilizan para el crecimiento de los microbios y la producción de sustancias químicas objetivo. Esto reduce la cantidad de sustancia química objetivo sintetizada porque los microbios absorben los azúcares para producir y mantener los elementos y la energía que necesitan para vivir. Para mitigar este problema, el grupo de investigación desarrolló una nueva estrategia llamada PMPE. Dividir la ruta metabólica de los microbios permite que cada azúcar se utilice de forma independiente, utilizándose toda la glucosa para la producción química objetivo y toda la xilosa para la propagación y el mantenimiento de los microbios. Esto permitió producir un mayor rendimiento de la sustancia química objetivo porque no se utilizaba nada de la glucosa para el crecimiento de microbios. Este grupo de investigación introdujo una vía metabólica en la E. coli modificada para sintetizar ácido mucónico. La E. coli modificada utilizó glucosa y xilosa, lo que llevó a la producción de la sustancia química objetivo. Los investigadores lograron producir 4,26 g/l de ácido mucónico con un rendimiento de 0,31 g/g de glucosa. Este se considera el rendimiento más alto del mundo, lo que demuestra la eficacia de la estrategia PMPE. Posteriormente, los investigadores investigaron si la estrategia PMPE podría aplicarse a la producción de sustancias químicas objetivo distintas del ácido mucónico. Como resultado, lograron aumentar la producción del aminoácido esencial y compuesto aromático fenilalanina y 1,2-propanodiol, que se utiliza como aditivo en medicamentos y productos alimenticios. Estos resultados han demostrado que PMPE es una técnica versátil que se puede utilizar para producir eficientemente una variedad de compuestos. Desarrollos adicionales Se espera que la técnica PMPE desarrollada por este grupo de investigación pueda aplicarse para aumentar la producción de una amplia variedad de materias primas, como compuestos aromáticos y ácido dicarboxílico, utilizados en productos médicos y químicos. Además, esta estrategia de alterar el metabolismo de las bacterias permitirá utilizar de manera más eficiente la biomasa que contiene múltiples azúcares. Notas *1 Tecnologías de biorrefinería Estas son tecnologías para producir biocombustibles, bioplásticos e ingredientes de medicamentos, etc. utilizando recursos de biomasa renovables. *2 Carbono Neutral Un concepto para mantener constante la cantidad de CO2 atmosférico compensando las emisiones de carbono con la eliminación de carbono o eliminando las emisiones de carbono por completo. El uso de biomasa en lugar de combustibles fósiles es un ejemplo de proceso neutro en carbono.