Exhalar mejora las fábricas de células

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Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han demostrado que es posible provocar un cambio en el metabolismo de los microbios, desde la fermentación hasta la respiración. Esta información se puede utilizar para diseñar nuevas fábricas de células mejoradas.

Courtesy Chalmers University: Saber cómo las fábricas de células microbianas generan y consumen energía y cómo se asignan las proteínas para hacerlo es crucial cuando se trabaja con fermentaciones industriales. Ahora, los investigadores han demostrado que al optimizar las condiciones de fermentación es posible inducir un cambio en el metabolismo de la fermentación a la respiración de la bacteria E. coli y la levadura de panadería. Este cambio significa que las células pueden ser empujadas para producir más energía interna (ATP).

Cuanto más ATP, mejor se desempeñan las células

Las células generan constantemente moléculas de alta energía llamadas ATP a partir de la glucosa de azúcar. El ATP es el «alimento» celular que consumen los trabajadores (enzimas) dentro de las células. Las enzimas usan esta energía para construir biomasa o hacer otro trabajo celular. Mientras más ATP esté disponible, mejor se desempeñarán los caballos de batalla microbianos en las fermentaciones; al menos en principio, muchos otros aspectos también juegan un papel importante.

“En este estudio, modelamos y analizamos dos vías principales productoras de ATP en E. coli y S. cerevisiae (levadura de panadería), lo que nos permite comprender cómo las células producen y usan energía en respuesta a diversas condiciones. Con base en estos resultados, podremos encontrar soluciones para aumentar la producción de ATP, lo que potencialmente puede mejorar el crecimiento celular y la aptitud física en condiciones estresantes «, dice Yu Chen, Postdoc en la división de Biología de Sistemas en el Departamento de Biología e Ingeniería Biológica de Chalmers

Junto con Jens Nielsen, profesor de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, y director científico del Centro de Biosustentabilidad de la Fundación Novo Nordisk en DTU en Dinamarca, Yu Chen ha estudiado el metabolismo de la E. coli y la levadura de panadería mediante el uso de modelos matemáticos y experimentos biológicos. . La investigación ha sido publicada en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Cambia el equilibrio natural

Utilizando un enfoque computacional, los investigadores descubrieron que el ATP puede generarse por cualquiera de las dos vías: en E. coli hay una vía respiratoria de alto rendimiento que resulta en 23.5 ATP por molécula de glucosa y una vía de bajo rendimiento, que solo genera 11 ATP por molécula de glucosa.

Las dos vías se complementan entre sí, pero los investigadores pudieron cambiar el equilibrio natural entre las dos al cambiar las condiciones de la fermentación y la cantidad de azúcar y proteínas disponibles. Además, mostraron que la vía de alto rendimiento necesita más masa proteica que la vía de bajo rendimiento para consumir glucosa a la misma velocidad.

Evite la acumulación de subproductos no deseados.

También demostraron que hacer que algunas enzimas clave funcionen mejor significaba que las células cambiaron de un metabolismo fermentativo de bajo rendimiento a respirar a través del metabolismo respiratorio de alto rendimiento. Este cambio da como resultado más ATP intracelular, pero también evita la acumulación de subproductos fermentativos; acetato en E. coli y etanol en levadura de panadería.

«Estos subproductos no son deseados y disminuyen el rendimiento de las moléculas buscadas que desea producir en su fábrica de células», dice Jens Nielsen.

Además, los investigadores demostraron que las células con el mejor rendimiento utilizaron ambas vías, no solo la de alto rendimiento, y que más proteínas disponibles significaban más eficiencia en una ruta dada.

Por lo tanto, la solución para un mejor desempeño de las células en las fermentaciones no es apagar la vía fermentativa, sino asignar más proteínas a la vía de alto rendimiento.

«Tres formas de mejorar el crecimiento celular»

Los investigadores únicamente expusieron los microbios a diferentes condiciones de fermentación y no realizaron ingeniería genómica para evocar estos cambios. Pero al mismo tiempo, sus estudios dieron una indicación de cómo se puede cambiar el metabolismo de las células mediante la ingeniería del genoma para que sea más eficaz en futuros experimentos.

“En conclusión: en base a nuestros análisis, propusimos tres formas de mejorar el crecimiento celular, y posiblemente también la aptitud física en los procesos de fermentación industrial. Los dos primeros son el aumento de la masa proteica del metabolismo energético y la disminución de la demanda de ATP para el crecimiento, lo que se puede lograr mediante enfoques adaptativos de evolución de laboratorio. La tercera forma es aumentar la actividad de las enzimas clave, lo que se puede hacer mediante enfoques de ingeniería de proteínas «, dice Yu Chen.

COMPARANDO CÉLULAS CON AUTOMOBILES

En general, este análisis señala tres formas de mejorar el crecimiento:

1. Aumentar la cantidad de proteína. Este estudio muestra que aumentar la cantidad de proteína disponible para las células da un mejor metabolismo en las fermentaciones. En los automóviles, esto correspondería a tener un consumo rápido de combustible, lo que significa que el motor funcionaría sin problemas y funcionaría de manera óptima.
2. Disminución de la demanda de células por ATP. Los científicos también demostraron que las células que tienen una menor necesidad de energía significa un uso optimizado de la energía disponible. En los automóviles, esto corresponde a dirigir más kilómetros con la misma cantidad de combustible.
3. Actividad creciente de enzimas clave. En este documento, el equipo también mostró que el aumento de la actividad de las enzimas clave en el metabolismo brindaba una producción optimizada de ATP a través de esa ruta específica «ocupada» por esas enzimas activas adicionales. En los automóviles, esto corresponde a tener la mayor potencia, lo que significa que pasará de A a B más rápido con una velocidad máxima más alta.

Lea el artículo «El metabolismo energético controla los fenotipos mediante la eficiencia y la asignación de proteínas» en PNAS  fábricas de células

Texto: Anne Wärme Lykke, Anders Østerby Mønsted, Susanne Nilsson Lindh  – fábricas de células