La biomasa no alimentaria renovable podría reemplazar las materias primas petroquímicas para producir fuentes de energía, productos químicos útiles o una amplia gama de productos finales a base de petróleo, como plásticos, lubricantes, pinturas, fertilizantes y cápsulas de vitaminas. En los últimos años, las biorrefineríasque transforman la biomasa no comestible en combustible, calor, energía, productos químicos y materiales han recibido mucha atención como una alternativa sostenible para disminuir la dependencia de los combustibles fósiles.
Un equipo de investigación coreano encabezado por el distinguido profesor Sang Yup Lee del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea KAIST estableció un sistema de biorrefinería para crear polímeros no naturales a partir de fuentes naturales, permitiendo que varios plásticoshacerse de una manera ecológica y sostenible. Los resultados de la investigación se publicaron en línea en Biotecnología de la naturaleza el 7 de marzo de 2016. La versión impresa se emitirá en abril de 2016.
El equipo de investigación adoptó un enfoque de ingeniería metabólica de sistemas para desarrollar un microorganismo que pueda producir diversos polímeros biomédicos importantes no naturales y logró sintetizar poli lactato-co-glicolato PLGA, un copolímero de dos monómeros poliméricos diferentes,ácido láctico y glicólico. El PLGA es biodegradable, biocompatible y no tóxico, y se ha utilizado ampliamente en aplicaciones biomédicas y terapéuticas como suturas quirúrgicas, dispositivos protésicos, administración de fármacos e ingeniería de tejidos.
Inspirado por el proceso de biosíntesis de polihidroxialcanoatos PHA, poliésteres derivados biológicamente producidos en la naturaleza por la fermentación bacteriana de azúcar o lípidos, el equipo de investigación diseñó una vía metabólica para la biosíntesis de PLGA a través de la fermentación microbiana directamente de los carbohidratos en Escherichia coli E. coli cepas.
El equipo había informado previamente un recombinante E. coli produciendo PLGA utilizando la vía de derivación de glioxilato para la generación de glicolato a partir de glucosa, que se divulgó en sus patentes KR10-1575585-0000 fecha de presentación del 11 de marzo de 2011, US08883463 y JP5820363. Sin embargo, descubrieron que el polímeroel contenido y la fracción de glicolato de PLGA no pudieron mejorarse significativamente a través de técnicas de ingeniería adicionales. Por lo tanto, en esta investigación, el equipo introdujo una vía heteróloga para producir glicolato a partir de xilosa y logró desarrollar el recombinante E. coli produciendo PLGA y varios copolímeros novedosos mucho más eficientemente
Para producir PLGA mediante fermentación microbiana directamente a partir de carbohidratos, el equipo incorporó enzimas externas y de ingeniería como catalizadores para copolimerizar PLGA al tiempo que establece algunas rutas metabólicas adicionales para que la biosíntesis produzca una gama de diferentes polímeros no naturales, algunospor primera vez. Este proceso sintético de base biológica para PLGA y otros polímeros podría sustituir a la producción química complicada existente que implica la preparación y purificación de precursores, procesos de polimerización química y la eliminación de catalizadores metálicos.
El profesor Lee y su equipo realizaron simulaciones metabólicas a escala del genoma silico del E. coli célula para predecir y analizar los cambios en los flujos metabólicos de las células causados por la introducción de vías metabólicas externas. En base a estos resultados, los genes se manipulan para optimizar los flujos metabólicos eliminando los genes responsables de la formación de subproductos y mejorando los niveles de expresiónde ciertos genes, logrando así la producción efectiva de polímeros diana así como estimulando el crecimiento celular.
El equipo utilizó la base estructural de una amplia especificidad de sustrato de la enzima sintetizadora clave, la PHA sintasa, para incorporar varios comonómeros con cadenas principales y laterales de diferentes longitudes. Estos monómeros se produjeron dentro de la célula mediante ingeniería metabólica, y luego se copolimerizaronpara mejorar las propiedades del material de PLGA. Como resultado, una variedad de copolímeros de PLGA con diferentes composiciones de monómeros, como los monómeros aprobados por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos FDA, 3-hidroxiburato, 4-hidroxiburato y 6-hidroxiexanoato, fueronTambién se fabricaron bioplásticos recién aplicados, tales como 5-hidroxivalerato y 2-hidroxiisovalerato.
El equipo empleó una aplicación de ingeniería metabólica de sistemas que, según los investigadores, es el primer ejemplo exitoso de producción biológica de PGLA y varios copolímeros novedosos a partir de biomasa renovable mediante fermentación directa en un solo paso de E. coli de ingeniería metabólica.
El profesor Lee dijo: "Presentamos hallazgos importantes de que los polímeros no naturales, como el PLGA, que se usa comúnmente para la administración de medicamentos o dispositivos biomédicos, fueron producidos por una bacteria intestinal diseñada metabólicamente. Nuestra investigación es significativa en el sentido de que propone una plataformaestrategia en ingeniería metabólica, que puede utilizarse más en el desarrollo de numerosos polímeros útiles no naturales ".
El director Ilsub Baek de la División de Tecnología de Plataformas del Ministerio de Ciencia, TIC y Planificación Futura de Corea, que supervisa el Programa de Desarrollo de Tecnología para Resolver el Cambio Climático, dijo
"El profesor Lee ha liderado uno de nuestros proyectos de investigación, la Ingeniería Metabólica de Sistemas para Biorefinerías, que comenzó como parte del Programa de Desarrollo de Tecnología del Ministerio para Resolver el Cambio Climático. Él y su equipo han estado continuamente obteniendo resultados prometedores y atrayendo un mayor interés dela comunidad científica mundial. A medida que la tecnología del cambio climático se vuelve más importante, esta investigación sobre la producción biológica de polímeros no naturales de alto valor tiene un gran impacto en la ciencia y la industria ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por El Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea KAIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :