Integración de las herramientas de ingeniería metabólica y de proteínas para la biosíntesis química de próxima generación

Integración de las herramientas de ingeniería metabólica y de proteínas para la biosíntesis química de próxima generación

A través de la ingeniería microbiana, la biosíntesis tiene el potencial de producir miles de productos químicos utilizados en la vida cotidiana. La ingeniería metabólica y la biología sintética son campos impulsados ​​por la manipulación de genes, sistemas reguladores genéticos y vías enzimáticas para el desarrollo de cepas microbianas altamente productivas. Fundamentalmente, son las características bioquímicas de las propias enzimas las que dictan el flujo a través de una vía biosintética hacia el producto de interés. Como los ingenieros metabólicos se dirigen a metabolitos secundarios sofisticados, ha habido poco reconocimiento de la actividad catalítica reducida y del aumento de la promiscuidad de sustrato / producto de las enzimas correspondientes en comparación con las del metabolismo central. Por lo tanto, el ajuste fino de estas características enzimáticas a través de la ingeniería de proteínas es fundamental para el desarrollo de alta productividad cepas microbianas para los metabolitos secundarios. Aquí, describimos la importancia de la ingeniería de proteínas para el avance de la ingeniería metabólica de las vías del metabolismo secundario. Esta vía integrada de optimización de enzimas puede mejorar el conjunto de herramientas colectivas de ingeniería microbiana para dar forma al futuro de la fabricación de productos químicos.

Durante la última década, la industria de la fabricación de productos químicos fue testigo de los inicios de una nueva transformación tecnológica en la producción de productos químicos industriales. Esta revolución fue estimulada por los avances en la ingeniería metabólica y la biología sintética que permitió la ingeniería sofisticada de los microbios para la fabricación sostenible de productos químicos. (Bio) derivados del metabolismo primario de los sistemas biológicos, incluidos el etanol, el butanol, el propanodiol, el ácido láctico, el ácido acético, el ácido cítrico y el ácido succínico, constituyeron el primer grupo de productos químicos destinados a la superproducción microbiana y están siendo producidos comercialmente desde fuentes renovables de carbono. Los metabolitos secundarios, que son productos de complejos químicos encontrados en la naturaleza, representan un gran número de candidatos químicos (> 200.000) para una miríada de aplicaciones tales como drogas, aditivos alimentarios, productos de consumo, productos químicos industriales y biocombustibles. Desarrollo de tecnologías para una producción sostenible De estos productos químicos a escala comercial tiene la oportunidad de alterar drásticamente el paisaje de la industria química. Tradicionalmente obtenidos como extractos naturales de plantas o como derivados de procesos petroquímicos, los metabolitos secundarios producidos en microbios artificiales pueden aliviar el volumen del mercado y las restricciones de precios con tecnología limpia, renovable y sostenible. Sin embargo, sólo unos pocos de estos productos químicos se han producido utilizando vías de ingeniería en los microbios y todavía están en transición de laboratorio a la fabricación comercial.

Los microbios diseñados para permitir estos procesos se manipulan de tal manera que los flujos de reacciones enzimáticas en la vía se equilibren para limitar la acumulación de productos intermedios y subproductos para aumentar la conversión de la materia prima a través de metabolitos intermedios a un producto deseado.

Además, se han alterado varias vías competidoras y no deseadas para canalizar el flujo celular a través de vías biosintéticas deseadas. Los ingenieros metabólicos han utilizado tradicionalmente la ingeniería genética racional y combinatoria para mejorar el equilibrio de las reacciones en las vías bioquímicas responsables del flujo de carbono, el suministro de energía / cofactor y la acumulación de intermedios. Con el surgimiento de la biología sintética, Mecanismos de control destinados a mejorar la flexibilidad y capacidad en la ingeniería de procesos biológicos. En un nivel fundamental, todas estas intervenciones de ingeniería están cambiando la concentración de enzimas en una célula, pero ignoran en gran medida las propiedades de las propias enzimas. Se ha prestado poca atención a la cinética de las reacciones bioquímicas catalizadas por enzimas y cómo podrían mejorarse. Al mismo tiempo, los avances en la ingeniería enzimática que facilitan el diseño de enzimas naturales y sintéticas mejoradas que catalizan reacciones tanto existentes como nuevas, aún no se han explorado completamente para la biosíntesis microbiana de productos químicos naturales o hechos a medida. Para lograr la fabricación sostenible de los metabolitos secundarios, se debe combinar la ingeniería metabólica (es decir, la introducción de vías bioquímicas de varios organismos en un huésped microbiano y vías de equilibrio en combinación con el metabolismo nativo para la sobreproducción) con la ingeniería de proteínas de enzimas metabólicas secundarias que están específicamente obstaculizadas por Actividad catalítica reducida y mayor promiscuidad de sustrato / producto.

Esta revisión pone de relieve las posibilidades emocionantes como camino integrado enfoques de optimización de enzimas se asimilan completamente en la ingeniería metabólica / kit de herramientas de biología sintética.

DESAFÍOS DE LA ENZIMA PARA LA INGENIERÍA METABÓLICA

Recientemente, Bar-Even et al. Reportaron un metanálisis detallado de las enzimas naturales que catalizan las reacciones del metabolismo primario, intermedio y secundario (cuadro 1). Su trabajo enmarca claramente las características cinéticas de las enzimas en las vías asociadas con diversos niveles de metabolismo (Figura 2a) . Cuando la meta de la ingeniería microbiana es un alto flujo a través de estas enzimas, el enfoque tradicional de la ingeniería metabólica sería expresar más veces las enzimas lentas. Sin embargo, este enfoque es subóptimo, ya que hacerlo puede llegar a costa de una importante carga metabólica que puede ser perjudicial para la productividad (Figura 2b]. Si se consideran vías de enzimas ineficientes, que a menudo son más de cinco pasos de largo, rápidamente se hace imposible simplemente sobreexpresar las enzimas, como los recursos metabólicos y el espacio físico en la célula se convierten en fuertes restricciones. En este contexto, las técnicas de ingeniería de proteínas son capaces de superar las deficiencias de enzimas del metabolismo secundario para permitir el desarrollo de cepas microbianas con productividad a nivel comercial. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de sistematizar y explotar las técnicas de ingeniería de proteínas para mejorar la actividad, pero también para controlar la especificidad, optimizar la estabilidad, localización directa, mejorar la solubilidad y / o modular dominios reguladores en la ingeniería metabólica para la síntesis química de próxima generación.

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