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Las bacterias evolucionadas en laboratorio cambian al consumo de dióxido de carbono para el crecimiento

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En el transcurso de varios meses, investigadores en Israel crearon Escherichia coli cepas que consumen CO2 para energía en lugar de compuestos orgánicos. Este logro en biología sintética resalta la increíble plasticidad del metabolismo bacteriano y podría proporcionar el marco para una futura bioproducción neutral en carbono. El trabajo aparece el 27 de noviembre en la revista. Celda.

"Nuestro objetivo principal era crear una plataforma científica conveniente que pudiera mejorar el CO2 fijación, que puede ayudar a abordar los desafíos relacionados con la producción sostenible de alimentos y combustibles y el calentamiento global causado por el CO2 emisiones ", dice el autor principal Ron Milo, del biólogo de sistemas del Instituto de Ciencia Weizmann." Convertir la fuente de carbono de E. coli, el caballo de batalla de la biotecnología, del carbono orgánico al CO2 es un paso importante hacia el establecimiento de dicha plataforma ".

El mundo vivo está dividido en autótrofos que convierten el CO inorgánico.2 en biomasa y heterótrofos que consumen compuestos orgánicos. Los organismos autótrofos dominan la biomasa en la Tierra y suministran gran parte de nuestros alimentos y combustibles. Una mejor comprensión de los principios del crecimiento autotrófico y los métodos para mejorarlo es fundamental para el camino hacia la sostenibilidad.

Un gran desafío en biología sintética ha sido generar autotrofia sintética dentro de un modelo de organismo heterotrófico. A pesar del interés generalizado en el almacenamiento de energía renovable y la producción de alimentos más sostenible, los esfuerzos pasados ​​para diseñar organismos modelo heterotróficos relevantes a nivel industrial para usar CO2 ya que la única fuente de carbono ha fallado. Intentos previos de establecer CO autocatalítico2 Los ciclos de fijación en los heterótrofos modelo siempre requirieron la adición de compuestos orgánicos de carbono múltiple para lograr un crecimiento estable.

"Desde una perspectiva científica básica, queríamos ver si una transformación tan importante en la dieta de las bacterias, desde la dependencia del azúcar hasta la síntesis de toda su biomasa a partir de CO2 "es posible", dice el primer autor Shmuel Gleizer (@GleizerShmuel), becario postdoctoral del Instituto de Ciencia Weizmann. "Más allá de probar la viabilidad de tal transformación en el laboratorio, queríamos saber qué tan extrema se necesita una adaptación en términos de los cambios en el modelo de ADN bacteriano ".

En el Celda estudio, los investigadores utilizaron cableado metabólico y evolución de laboratorio para convertir E. coli en autótrofos. La cepa diseñada extrae energía del formiato, que se puede producir electroquímicamente a partir de fuentes renovables. Debido a que el formiato es un compuesto orgánico de un carbono que no sirve como fuente de carbono para E. coli crecimiento, no admite vías heterotróficas. Los investigadores también diseñaron la cepa para producir enzimas no nativas para la fijación y reducción de carbono y para recolectar energía del formiato. Pero estos cambios por sí solos no fueron suficientes para apoyar la autotrofia porque E. coliEl metabolismo está adaptado al crecimiento heterotrófico.

Para superar este desafío, los investigadores recurrieron a la evolución adaptativa del laboratorio como una herramienta de optimización metabólica. Inactivaron las enzimas centrales involucradas en el crecimiento heterotrófico, haciendo que las bacterias sean más dependientes de las vías autótrofas para el crecimiento. También cultivaron las células en quimiostatos con un suministro limitado de azúcar xilosa, una fuente de carbono orgánico, para inhibir las vías heterotróficas. El suministro inicial de xilosa durante aproximadamente 300 días fue necesario para soportar la proliferación celular suficiente para iniciar la evolución. El quimiostato también contenía mucho formiato y un 10% de CO2 atmósfera.

En este entorno, existe una gran ventaja selectiva para los autótrofos que producen biomasa a partir de CO2 como la única fuente de carbono en comparación con los heterótrofos que dependen de la xilosa como fuente de carbono para el crecimiento. Utilizando el etiquetado isotópico, los investigadores confirmaron que las bacterias aisladas evolucionadas eran realmente autótrofas, es decir, CO2 y no la xilosa o cualquier otro compuesto orgánico apoyó el crecimiento celular.

"Para que el enfoque general de la evolución del laboratorio tenga éxito, tuvimos que encontrar una manera de acoplar el cambio deseado en el comportamiento celular a una ventaja de aptitud", dice Milo. "Eso fue duro y requirió mucho pensamiento y diseño inteligente".

Al secuenciar el genoma y los plásmidos de las células autótrofas evolucionadas, los investigadores descubrieron que se adquirieron tan solo 11 mutaciones a través del proceso evolutivo en el quimiostato. Un conjunto de mutaciones afectó genes que codifican enzimas vinculadas al ciclo de fijación de carbono. La segunda categoría consistió en mutaciones encontradas en genes comúnmente observados como mutados en experimentos de evolución de laboratorio adaptativos previos, lo que sugiere que no son necesariamente específicos de las vías autotróficas. La tercera categoría consistió en mutaciones en genes sin papel conocido.

"El estudio describe, por primera vez, una transformación exitosa del modo de crecimiento de una bacteria. Enseñar a una bacteria intestinal a hacer trucos por los que las plantas son famosas fue una posibilidad muy remota", dice Gleizer. "Cuando comenzamos el proceso evolutivo dirigido, no teníamos ni idea de nuestras posibilidades de éxito, y no había precedentes en la literatura para guiar o sugerir la viabilidad de una transformación tan extrema. Además, viendo al final lo relativamente pequeño fue sorprendente la cantidad de cambios genéticos necesarios para hacer esta transición ".

Los autores dicen que una limitación importante del estudio es que el consumo de formiato por las bacterias libera más CO2 que se consume a través de la fijación de carbono. Además, se necesita más investigación antes de que sea posible discutir la escalabilidad del enfoque para uso industrial.

En el trabajo futuro, los investigadores apuntarán a suministrar energía a través de electricidad renovable para abordar el problema del CO2 liberar, determinar si las condiciones atmosféricas ambientales podrían apoyar la autotrofia, y tratar de reducir las mutaciones más relevantes para el crecimiento autotrófico.

"Esta hazaña es una poderosa prueba de concepto que abre una nueva y emocionante perspectiva de usar bacterias modificadas para transformar productos que consideramos desechos en combustible, alimentos u otros compuestos de interés", dice Milo. "También puede servir como una plataforma para comprender y mejorar mejor las máquinas moleculares que son la base de la producción de alimentos para la humanidad y, por lo tanto, ayudar en el futuro a aumentar los rendimientos en la agricultura".

Este trabajo fue apoyado por el Consejo Europeo de Investigación, la Fundación de Ciencias de Israel, el Centro Beck-Canadiense para la Investigación de Energía Alternativa, Dana y Yossie Hollander, la Fundación Helmsley Charitable, la Fundación Larson Charitable, el Patrimonio de David Arthur Barton, el Anthony Stalbow Charitable Trust, y Stella Gelerman, Canadá. Los autores declaran una patente provisional relacionada con el manuscrito.

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