Pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) alcançaram sucesso sem precedentes na modificação de um micróbio para produzir com eficiência um composto de interesse usando um modelo computacional e edição de genes baseada em CRISPR.
A abordagem deles poderia acelerar drasticamente a fase de pesquisa e desenvolvimento para novos processos de biofabricação e colocar produtos de base biológica de ponta, como combustíveis sustentáveis e alternativas de plástico nas prateleiras mais rapidamente.
O processo usa algoritmos de computador – com base em dados experimentais do mundo real – para identificar quais genes em um micróbio “hospedeiro” poderiam ser desligados para redirecionar a energia do organismo para a produção de grandes quantidades de um composto alvo, em vez de sua sopa normal de produtos metabólicos .
Atualmente, muitos cientistas neste campo ainda contam com experimentos ad hoc de tentativa e erro para identificar quais modificações genéticas levam a melhorias.
Além disso, a maioria dos micróbios usados em processos de biofabricação que produzem um composto não nativo – o que significa que os genes para fazê-lo foram inseridos no genoma do hospedeiro – só podem gerar grandes quantidades do composto alvo depois que o micróbio atingiu uma certa fase de crescimento, resultando em lentidão processos que desperdiçam energia enquanto incubam os micróbios.
O processo de religação metabólica simplificado da equipe, cunhado “emparelhamento produto / substrato“, faz com que todo o metabolismo do micróbio esteja ligado à produção do composto o tempo todo.
Para testar o emparelhamento produto / substrato, a equipe realizou experimentos com um hospedeiro emergente promissor – um micróbio do solo chamado Pseudomonas putida – que foi projetado para carregar os genes para fazer a indigoidina, um pigmento azul.
Os cientistas avaliaram 63 estratégias potenciais de religação e, usando um fluxo de trabalho que avalia sistematicamente os resultados possíveis para as características desejáveis do hospedeiro, determinaram que apenas uma delas era experimentalmente realista.
Em seguida, eles realizaram a interferência CRISPR (CRISPRi) para bloquear a expressão de 14 genes, guiados por suas previsões computacionais.
“Ficamos entusiasmados em ver que nossa cepa produziu rendimentos extremamente altos de indigoidina depois de direcionarmos um grande número de genes simultaneamente“, disse o co-autor Deepanwita Banerjee, pesquisador de pós-doutorado no Joint BioEnergy Institute (JBEI), que é administrado por Berkeley Lab.
“O padrão atual para reconfiguração metabólica é almejar laboriosamente um gene por vez, em vez de muitos genes de uma vez“, disse ela, observando que antes deste artigo havia apenas um estudo anterior em engenharia metabólica no qual os autores tinham como alvo seis genes para knockdown.
“Aumentamos substancialmente o limite superior de modificações simultâneas usando abordagens baseadas em CRISPRi poderosas. Isso agora abre o campo para considerar métodos de otimização computacional, mesmo quando eles precisam de um grande número de modificações genéticas, porque eles podem realmente levar a uma saída transformativa, “disse Banerjee.
O co-autor Thomas Eng, um cientista pesquisador do JBEI, acrescentou:
“Com o emparelhamento de produto / substrato, acreditamos que podemos reduzir significativamente o tempo que leva para desenvolver um processo de biofabricação em escala comercial com nosso processo projetado racionalmente. É difícil pensar nisso o grande número de anos de pesquisa e horas de pessoas gastas no desenvolvimento de artemisinina (um antimalárico) ou 1-3, butanodiol (um produto químico usado para fazer plásticos) – cerca de cinco a 10 anos do caderno de laboratório à planta piloto. Reduzindo drasticamente as escalas de tempo de P&D é o que precisamos para tornar a bioeconomia de amanhã uma realidade “, disse ele.
Exemplos de compostos alvo sob investigação no Berkeley Lab incluem isopentenol, um biocombustível promissor; componentes de materiais retardadores de chama; e substituições para moléculas de partida derivadas de petróleo usadas na indústria, como precursores de náilon. Muitos outros grupos usam a biofabricação para produzir medicamentos avançados.
A investigadora principal Aindrila Mukhopadhyay explicou que o sucesso da equipe veio de sua abordagem multidisciplinar.
“Este trabalho não só exigia modelagem computacional rigorosa e genética de última geração, mas também contamos com nossos colaboradores da Unidade de Desenvolvimento de Processo de Biocombustíveis e Bioprodutos Avançados (ABPDU) para demonstrar que nosso processo poderia manter suas características desejáveis em níveis mais elevados escalas de produção “, disse Mukhopadhyay, que é vice-presidente da divisão de biocombustíveis e bioprodutos e diretor do grupo de engenharia anfitrião do JBEI.
“Também colaboramos com o Instituto Conjunto do Genoma do Departamento de Energia (DOE) para caracterizar nossa cepa. Não surpreendentemente, antecipamos muitas dessas colaborações futuras para examinar o valor econômico das melhorias que obtivemos e para nos aprofundarmos na caracterização dessa drástica religação metabólica . “
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Traduzido e editado por equipe Isto é Interessante
Fonte: Phys Org
