Um novo método desenvolvido por um grupo de pesquisadores do Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica (IGB) da Universidade de Illinois pode mudar a forma como a engenharia metabólica é feita.

Pesquisadores do tema de pesquisa Biosystems Design do IGB, incluindo Steven L. Miller Presidente de Engenharia Química e Biomolecular Huimin Zhao, publicou recentemente um artigo em Nature Communications delineando seu novo método, o que poderia tornar o processo de engenharia metabólica mais eficiente.

A engenharia metabólica envolve a engenharia de microrganismos para produzir produtos de valor agregado, como biocombustíveis e produtos químicos. Isso é conseguido alterando ou excluindo a expressão de genes para modificar o genoma do microrganismo. Nesse processo, vários alvos no genoma são modificados para atingir objetivos específicos.

"Podemos encontrar facilmente vários alvos de engenharia metabólica para melhorar o fenótipo desejado, "disse Jiazhang Lian, um pesquisador associado visitante do IGB que é co-autor do artigo. "Como combinar essas modificações genéticas benéficas é um dos maiores desafios da engenharia metabólica."

Tradicionalmente, os pesquisadores testam esses alvos individualmente em uma série de etapas demoradas. Essas etapas limitam a produtividade e o rendimento do produto final - dois componentes cruciais no processo de engenharia metabólica.

Os pesquisadores decidiram criar um método que combine todas essas etapas e as execute simultaneamente, tornando o processo mais rápido e fácil.

Eles basearam este método no sistema CRISPR, um método de manipulação genética que usa um conjunto de sequências de DNA para modificar genes dentro de uma célula.

Este sistema usa três manipulações genéticas que são frequentemente utilizadas na engenharia metabólica:ativação transcricional, interferência transcricional, e deleção do gene.

Usando essas manipulações simultaneamente, os cientistas podem explorar diferentes combinações de manipulações e descobrir qual combinação é a melhor.

“Agora podemos trabalhar com 20 alvos, "Zhao disse." Podemos implementar todas essas (manipulações) para cada alvo de forma combinatória para descobrir qual combinação realmente nos dará maior produtividade ou rendimento do produto final. "

Os pesquisadores testaram o método em uma espécie de levedura usada na vinificação, cozimento, e a produção de biocombustíveis. Eles mostraram que o uso desse método pode melhorar a produção de um produto específico.

Seu sistema, chamado CRISPR-AID, permitirá que os pesquisadores explorem facilmente todas as combinações de alvos possíveis. Mas a chave é encontrar a combinação ideal.

"Se compararmos a engenharia metabólica a um time de basquete, não podemos construir uma equipe forte simplesmente juntando os melhores jogadores, "Lian disse." Em vez disso, devemos tentar encontrar quem possa colaborar e trabalhar sinergicamente. "

Seu novo sistema abre milhares - até milhões - de possibilidades, o que representa outro desafio logístico.

Eles planejam encontrar as melhores combinações, desenvolvendo um método de triagem de alto rendimento ou usando um sistema robótico como o iBioFAB, um sistema localizado no IGB que produz automaticamente biossistemas sintéticos.

"Acredito que a combinação de CRISPR-AID com triagem de alto rendimento e iBioFAB avançará significativamente no campo da engenharia metabólica em um futuro próximo, "Lian disse.

Zhao espera testar seu método em outros organismos, usando os mesmos princípios de engenharia, mas modificando o protocolo para diferentes organismos.

Eventualmente, eles esperam se estender à escala do genoma - ser capaz de testar todos os genes de um organismo de uma vez - o que seria um salto considerável no campo da engenharia metabólica.

"Se pudermos fazer isso, podemos torná-lo verdadeiramente modularizado e também padronizar o procedimento, "Zhao disse." Então nós realmente aumentamos o rendimento e a velocidade da engenharia metabólica. "

Vários esforços de pesquisa têm como objetivo a engenharia de microrganismos para a produção de biocombustíveis e produtos químicos, portanto, quaisquer ferramentas que possam acelerar o processo são significativas. Zhao acredita que isso é verdade para seu método.

"Não é apenas uma melhoria incremental, "ele disse." É uma nova maneira de fazer engenharia metabólica.