Exalar – aprimora as fábricas de células

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Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Chalmers mostraram que é possível evocar uma mudança no metabolismo dos micróbios, da fermentação para a respiração. Essas informações podem ser usadas para projetar novas fábricas de células aprimoradas.

Courtesy Chalmers University: Saber como as fábricas de células microbianas geram e consomem energia e como as proteínas são alocadas para isso é crucial quando se trabalha com fermentações industriais. Agora, os pesquisadores mostraram que, ao otimizar as condições de fermentação, é possível induzir uma mudança no metabolismo da fermentação para a respiração da bactéria E. coli e do fermento do padeiro. Essa mudança significa que as células podem ser estimuladas a produzir mais energia interna (ATP).

Quanto mais ATP – melhor as células realizam

As células geram constantemente moléculas de alta energia chamadas ATP a partir da glicose no açúcar. ATP é o “alimento” celular consumido pelos trabalhadores – enzimas – dentro das células. As enzimas usam essa energia para construir biomassa ou realizar outro trabalho celular. Quanto mais ATP disponível, melhor o desempenho dos cavalos de trabalho microbianos nas fermentações; pelo menos em princípio – muitos outros aspectos também desempenham um papel.

“Neste estudo, modelamos e analisamos duas principais vias produtoras de ATP em E. coli e S. cerevisiae (levedura de padeiro), permitindo entender como as células produzem e usam energia em resposta a várias condições. Com base nesses resultados, seremos capazes de encontrar soluções para aumentar a produção de ATP, que podem potencialmente melhorar o crescimento e a adequação das células sob condições estressantes ”, diz Yu Chen, Postdoc na divisão de Sistemas de Biologia do Departamento de Biologia e Engenharia Biológica da Chalmers.

Juntamente com Jens Nielsen, professor da Universidade de Tecnologia de Chalmers, Suécia, e diretor científico do Novo Nordisk Foundation Center for Biosustentability na DTU na Dinamarca, Yu Chen estudou o metabolismo de E. coli e levedura de padeiro usando modelos matemáticos e experimentos biológicos . A pesquisa já foi publicada em Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS).

Mudar o equilíbrio natural

Usando uma abordagem computacional, os pesquisadores descobriram que o ATP pode ser gerado por uma de duas vias: em E. coli, existe uma via respiratória de alto rendimento, resultando em 23,5 ATP por molécula de glicose e uma via de baixo rendimento, que gera apenas 11 ATP por molécula de glicose.

As duas vias se complementam, mas os pesquisadores foram capazes de mudar o equilíbrio natural entre as duas, alterando as condições da fermentação e a quantidade de açúcar e proteína disponível. Além disso, eles mostraram que a via de alto rendimento precisa de mais massa protéica do que a via de baixo rendimento para consumir glicose na mesma taxa.

Evite o acúmulo de subprodutos indesejados

Eles também mostraram que o desempenho de algumas das principais enzimas significava que as células passavam do metabolismo fermentativo de baixo rendimento para a respiração através do metabolismo respiratório de alto rendimento. Essa mudança resulta em mais ATP intracelular, mas também evita o acúmulo de subprodutos fermentativos; acetato em E. coli e etanol em fermento de padeiro.

“Esses subprodutos são indesejados e diminuem o rendimento das moléculas procuradas que você deseja produzir em sua fábrica de células”, diz Jens Nielsen.

Além disso, os pesquisadores mostraram que as células com melhor desempenho usavam as duas vias, não apenas a de alto rendimento, e que mais proteínas disponíveis significavam mais eficiência em uma determinada via.

Portanto, a solução para células com melhor desempenho nas fermentações não é desligar a via fermentativa, mas alocar mais proteína à via de alto rendimento.

“Três maneiras de melhorar o crescimento celular”

Os pesquisadores apenas expuseram os micróbios a diferentes condições de fermentação e não fizeram a engenharia do genoma para evocar essas mudanças. Mas, ao mesmo tempo, seus estudos deram uma indicação de como alguém pode alterar o metabolismo das células pela engenharia do genoma para se tornar mais eficaz em experimentos futuros.

“Concluindo: com base em nossas análises, propusemos três maneiras de melhorar o crescimento celular e, possivelmente, também a adequação aos processos de fermentação industrial. Os dois primeiros são o aumento da massa proteica do metabolismo energético e a diminuição da demanda de crescimento de ATP, o que pode ser alcançado por abordagens adaptativas da evolução laboratorial. A terceira maneira é aumentar a atividade das principais enzimas, o que pode ser feito por abordagens de engenharia de proteínas ”, diz Yu Chen.

COMPARANDO CÉLULAS A CARROS

No geral, essa análise aponta três maneiras de melhorar o crescimento:

1. Aumentando a quantidade de proteína. Este estudo mostra que o aumento da quantidade de proteína disponível para as células proporciona um melhor metabolismo nas fermentações. Nos carros, isso corresponderia a uma rápida absorção de combustível, o que significa que o motor funcionaria sem problemas e funcionaria da melhor maneira possível.
2. Diminuindo a demanda de células por ATP. Os cientistas também mostraram que as células com menor necessidade de energia significam um uso otimizado da energia disponível. Nos carros, isso corresponde à dirigir mais kilometros com a mesma quantidade de combustível.
3. Aumento da atividade das principais enzimas. Neste artigo, a equipe também mostrou que o aumento da atividade de enzimas-chave no metabolismo proporcionou uma produção otimizada de ATP por esse caminho específico ‘ocupado’ por essas enzimas extra-ativas. Nos carros, isso corresponde a ter mais potência, o que significa que você passará de A a B mais rapidamente com uma velocidade máxima mais alta.

Leia o artigo “O metabolismo energético controla fenótipos por eficiência e alocação de proteínas” no PNAS

Texto: Anne Wärme Lykke, Anders Østerby Mønsted, Susanne Nilsson Lindh