Primer paso hacia la fijación sintética de CO2 en células vivas

Construcción e implementación modular del ciclo THETA para la fijación de CO2 sintético. - MAX PLANCK INSTITUTE FOR TERRESTRIAL MICROBIOLOGY

   MADRID, 3 Ene. (EUROPA PRESS) -

   Investigadores del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre han diseñado y construido una nueva vía sintética de fijación de CO2, el llamado ciclo THETA.

   Los investigadores pudieron implementar cada uno de los tres módulos del ciclo en la bacteria E. coli, lo que representa un paso importante hacia la realización de vías bioquímicas para la captura y conversión de dióxido de carbono (CO2).

   Desarrollar nuevas formas de captura y conversión de CO2 es clave para afrontar la emergencia climática. La biología sintética abre vías para diseñar vías de fijación de CO2 nuevas para la naturaleza que capturen CO2 de manera más eficiente que las desarrolladas por la naturaleza. Sin embargo, descubrir esas vías nuevas para la naturaleza en diferentes sistemas in vitro e in vivo sigue siendo un desafío fundamental.

   Ahora, los investigadores del grupo de Tobias Erb han diseñado y construido una nueva vía sintética de fijación de CO2, el llamado ciclo THETA. Contiene varios metabolitos centrales como intermediarios y con el componente central, acetil-CoA, como salida. Esta característica permite dividirlo en módulos e integrarlo en el metabolismo central de E. coli.

   El ciclo completo de THETA implica 17 biocatalizadores y se diseñó en torno a las dos enzimas fijadoras de CO2 más rápidas conocidas hasta la fecha: crotonil-CoA carboxilasa/reductasa y fosfoenolpiruvato carboxilasa. Los investigadores encontraron estos poderosos biocatalizadores en bacterias. Aunque cada una de las carboxilasas puede capturar CO2 más de 10 veces más rápido que RubisCO, la enzima fijadora de CO2 en los cloroplastos, la evolución misma no ha reunido estas enzimas capaces en la fotosíntesis natural.

   El ciclo THETA convierte dos moléculas de CO2 en una acetil-CoA en un ciclo. El acetil-CoA es un metabolito central en casi todo el metabolismo celular y sirve como componente básico para una amplia gama de biomoléculas vitales, incluidos biocombustibles, biomateriales y productos farmacéuticos, lo que lo convierte en un compuesto de gran interés en aplicaciones biotecnológicas.

   Al construir el ciclo en tubos de ensayo, los investigadores pudieron confirmar su funcionalidad. Entonces comenzó el entrenamiento: a través de una optimización racional y guiada por aprendizaje automático a lo largo de varias rondas de experimentos, el equipo pudo mejorar el rendimiento de acetil-CoA en un factor de 100. Para probar su viabilidad in vivo, su incorporación en la célula viva debe realizarse paso a paso. Para ello, los investigadores dividieron el ciclo THETA en tres módulos, cada uno de los cuales se implementó con éxito en la bacteria E. coli. La funcionalidad de estos módulos se verificó mediante selección acoplada al crecimiento y/o etiquetado isotópico.

   "Lo especial de este ciclo es que contiene varios intermediarios que sirven como metabolitos centrales en el metabolismo de la bacteria. Esta superposición ofrece la oportunidad de desarrollar un enfoque modular para su implementación", explica Shanshan Luo, autor principal del estudio. "Pudimos demostrar la funcionalidad de los tres módulos individuales en E. coli. Sin embargo, todavía no hemos logrado cerrar todo el ciclo para que E. coli pueda crecer completamente con CO2", agregó en un comunicado.

   Cerrar el ciclo THETA sigue siendo un desafío importante, ya que las 17 reacciones deben sincronizarse con el metabolismo natural de E. coli, que naturalmente implica de cientos a miles de reacciones. Sin embargo, demostrar todo el ciclo in vivo no es el único objetivo. "Nuestro ciclo tiene el potencial de convertirse en una plataforma versátil para producir compuestos valiosos directamente a partir de CO2 mediante la ampliación de su molécula de salida, acetil-CoA", agregó Shanshan Luo.

   "Llevar partes del ciclo THETA a células vivas es una importante prueba de principio para la biología sintética", añade Tobias Erb. "Esta implementación modular de este ciclo en E. coli allana el camino para la realización de vías de fijación de CO2 ortogonales, altamente complejas y nuevas para la naturaleza en fábricas de células. Estamos aprendiendo a reprogramar completamente el metabolismo celular para crear un sistema operativo autótrofo sintético para la célula".