La naturaleza proporciona a la humanidad una amplia variedad de valiosos agentes bioactivos que van desde vitaminas sobre ácidos grasos vitales hasta sustancias inhibidoras del cáncer. Muchas de estas sustancias son difíciles de obtener directamente del medio ambiente o no se pueden producir de manera efectiva mediante síntesis química total.
Los científicos de la Universidad Técnica de Munich TUM están adoptando un nuevo enfoque: utilizando metodologías de biotecnología sintética, han desarrollado una estrategia bioquímica para sintetizar agentes médicos naturales y completamente artificiales mediante un proceso de diseño de enzimas con plantilla. Los primeros productos, precursores de laMedicamento contra el cáncer Taxol, sustancias antiinflamatorias y ácidos grasos omega-3 demuestran el éxito de su estrategia.
La corteza del tejo del Pacífico Taxus brevifolia , por ejemplo, contiene Taxol, un agente que se usa en el tratamiento de los cánceres de mama, ovario y pulmón.Desafortunadamente, esta especie de tejo no está muy extendida y está protegida.
Los ácidos grasos omega-3 esenciales, un componente de la nutrición infantil, por ejemplo, actualmente se producen predominantemente a partir de peces y crustáceos, lo que ejerce una presión adicional sobre el ecosistema marino ya muy afectado.
El objetivo del grupo de trabajo dirigido por Thomas Brück, profesor de Biocatálisis Industrial en la Universidad Técnica de Munich, es obtener sustancias químicas de manera sostenible a escala industrial utilizando métodos de bioquímica, bioinformática y biotecnología.
"Oro" de paja - una levadura con gran potencial
Ahora Brück y su equipo han logrado alterar genéticamente lo que hasta ahora no ha sido explotado biotecnológicamente Trichosporon oleaginosus levadura forzándola a producir ácidos grasos omega 3 esenciales ácido alfa-linoleico ALA, ácido eicosapentaenoico EPA y el ácido linoleico conjugado antiinflamatorio CLA.
La levadura puede prosperar los medios de cultivo derivados de residuos agrícolas, como paja, astillas de madera, salvado de trigo e incluso materiales de desecho marinos no utilizados hasta ahora como cáscaras de cangrejo ". Esta levadura es bastante única porque también puede explotar sustancias de azúcar monomérica, que sonnormalmente es difícil de metabolizar ", explica Brück." De este modo obtenemos sustancias químicas valiosas de los desechos, sin dañar el medio ambiente ".
Cuando las células de Trichosporon oleaginosus se estresan en la naturaleza, por una escasez de nitrógeno o fosfato, por ejemplo, acumulan reservas de energía en forma de grasa. Aunque las células de levadura ya no crecen de manera óptima, las reservas de grasa de triglicéridos resultantestanto como el 70 por ciento de su peso seco.
En proyectos futuros, los investigadores liderados por Brück esperan modificar aún más la levadura productora de aceite para que produzca las grasas deseadas en cantidades adecuadas, incluso en condiciones normales de nutrientes y sin limitar su crecimiento.
desde simulaciones hasta enzimas personalizadas
Una metodología presentada recientemente por el grupo de investigación de Brück en la revista científica altamente calificada Actas de la Academia Nacional de Ciencias PNAS lleva la idea un paso más allá: las simulaciones de computadora molecular-mecánica les permiten descifrar los pasos individuales en los que una clase específica de enzimas produce productos naturales bioactivos. Estos incluyen etapas precursoras del medicamento contra el cáncer Taxol.
Empleando solo simulación por computadora, Brück y su equipo predijeron correctamente, por primera vez, todas las etapas intermedias en la compleja cascada de reacciones que tienen lugar en presencia de esta enzima. De esta manera, dilucidaron el modo preciso de acción de la enzima, así como la relación entre su estructura y función. Esto anteriormente no era posible utilizando metodologías bioquímicas clásicas.
"Este enfoque es muy prometedor porque usando la simulación por computadora podemos cambiar las enzimas de una manera específica y predecir qué productos se producirán como resultado", dice Brück. "Si luego interconectamos diferentes actividades enzimáticas entre nosotros, incluso podemoscrear nuevas moléculas que no se encuentran en la naturaleza "
aumento de 43 veces en el rendimiento del producto
La producción de ciclooctatina, un potente agente antiinflamatorio, proporciona un buen ejemplo: los científicos combinaron una enzima diterpeno sintasa con un nuevo complejo de enzima hidroxilasa / reductasa en un sistema de producción microbiana basado en Escherichia coli provisto para la producción de diterpeno trihidroxiladociclooctatina
Fue el descubrimiento in silico y la verificación experimental de un nuevo sistema de reductasa / ferredoxina derivado del genoma recientemente publicado de Streptomyces afghaniensis, lo que permitió a los científicos aumentar el rendimiento del producto por un factor de 43, en comparación con el productor nativo.
En el futuro, los biotecnólogos podrían adoptar enfoques similares a los desplegados por los ingenieros cuando desarrollen los pasos de producción para un automóvil nuevo. Utilizando la visión de la biotecnología sintética, podrían elaborar un método de síntesis para nuevos agentes activos usando una cadena de reaccionescon enzimas modificadas. Esto reduciría significativamente el largo y arduo proceso de "desconcertar" nuevas rutas de síntesis en el laboratorio, como se aplica comúnmente hoy en día.
La presente investigación del grupo de investigación de Brück fue financiada por la Comunidad Europea proyecto ChiBio, el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania Advanced Biomass Value, SysBio Terp, OMCBP y el Ministerio Federal de Economía de Alemania proyecto Bio @ Jet, así como el Ministerio de Ciencia de Baviera Algenflugkraft, el Ministerio de Economía de Baviera Algenflugkraft y la producción sostenible de bioinsecticidas y el Ministerio de Medio Ambiente de Baviera geobiotecnología y PHB.
Debido al enorme potencial de estas metodologías, la Universidad Técnica de Múnich creó un nuevo enfoque de enseñanza e investigación, Biotecnología Sintética, en mayo. La Fundación Werner Siemens está financiando la configuración del nuevo enfoque de investigación por una suma de 11,5 millones de euros.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Técnica de Munich TUM . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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