Pesquisadores no Japão desenvolveram um sistema integrado de biologia sintética para construir novas vias metabólicas e enzimas dentro dos micróbios. Ao incorporar um "Design, Construir, Teste, Aprenda "fluxo de trabalho (DBTL), a produção de matérias-primas farmacêuticas pode ser sistematicamente otimizada. Este aplicativo suporta o conceito de fluxo de trabalho DBTL como um método sustentável para a produção de materiais complexos e valiosos. Os resultados foram publicados no dia 1º de maio na revista de acesso aberto Nature Communications .

Este estudo faz parte de um projeto da Organização para o Desenvolvimento de Novas Energias e Tecnologia Industrial (NEDO), e foi realizado por uma equipe de pesquisa da Universidade de Kobe liderada pelo professor assistente Christopher Vavricka, Professor Visitante Michihiro Araki, Professor Tomohisa Hasunuma e Professor Akihiko Kondo. Estreita colaboração com uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Hiromichi Minami (Instituto de Pesquisa para Biorecursos e Biotecnologia, A Universidade Municipal de Ishikawa) também foi fundamental para este projeto.

A equipe de pesquisa colaborativa está participando de um projeto de pesquisa e desenvolvimento do NEDO sob o tema "Desenvolvimento de técnicas de produção para biomateriais altamente funcionais usando células inteligentes de plantas e outros organismos (Projeto de células inteligentes)". O objetivo do Smart Cell Project é atingir a produção em massa de materiais-alvo altamente valiosos, introduzindo genes que codificam vias aprimoradas para os micróbios hospedeiros. Esse processo depende muito da tecnologia de análise de informações para redesenhar sistemas metabólicos e vias que podem aumentar os valores e a eficiência da produção.

A produção de alcalóides foi selecionada como um excelente exemplo de otimização porque os alcalóides são intermediários essenciais na produção de produtos farmacêuticos, incluindo analgésicos opióides. Recentemente, a produção de analgésicos derivados de alcalóides foi alcançada com micróbios, mas para tornar essa produção comercialmente viável, os rendimentos devem ser melhorados. O alcalóide principal intermediário tetrahidropapaverolina (THP) foi previamente produzido usando uma combinação de duas enzimas:L-aminoácido descarboxilase aromático (AAAD) e monoamina oxidase (MAO). Contudo, a especificidade relaxada do MAO tem sido uma barreira para a produção eficiente de THP.

Para melhorar este processo, um programa de design metabólico denominado M-path foi posto à prova. Este software de previsão foi desenvolvido pelo Professor Araki na Kobe University, e aplicado para identificar novas enzimas que podem contornar a MAO para melhorar as vias para o alcalóide-chave intermediário THP. A análise do caminho M levou à descoberta de uma enzima natural promissora encontrada nos bichos-da-seda chamada 3, 4-diidroxifenilacetaldeído sintase (DHPAAS) como alternativa à MAO. O DHPAAS é novo por possuir capacidade de oxidação de amina além da atividade de descarboxilação convencional. A equipe desenvolveu então métodos de engenharia enzimática baseados na estrutura para identificar os aminoácidos-chave envolvidos na determinação da atividade da enzima DHPAAS. Isso permitiu que eles criassem enzimas DHPAAS artificiais que podem ajustar a proporção das atividades de descarboxilase e amina oxidase, levando a uma produção melhorada do intermediário-chave THP.

Quando a equipe introduziu a via metabólica recém-projetada, incluindo enzimas modificadas, na bactéria Escherichia coli de laboratório convencional, eles foram capazes de controlar com precisão a proporção dos principais intermediários dopamina (produção de descarboxilação) e DHPAA (produto de oxidação). O equilíbrio dos níveis de dopamina e DHPAA levou a uma produção melhorada de alcalóides nas "células inteligentes" reprojetadas. Para otimizar ainda mais o sistema de produção microbiana, mais de 100 metabólitos foram analisados ​​com sistemas de análise de massa Shimadzu, permitindo que a equipe identifique reações de gargalo e reações colaterais de formação de subprodutos. Ao incorporar as informações do metabólito como dados de aprendizagem para impulsionar um novo ciclo DBTL, a produção de intermediários alcalóides a jusante foi melhorada.

Essas descobertas demonstram que a combinação de biotecnologia avançada e ciência da computação é uma estratégia eficaz para desenvolver rapidamente fábricas de células que podem produzir muitos tipos diferentes de materiais valiosos. Além disso, a capacidade de projetar funções de enzimas artificiais pode ajudar a expandir a gama de possíveis alvos de produção. Esperando ansiosamente, os autores acreditam que o fluxo de trabalho DBTL permitirá uma produção mais eficiente de vários materiais úteis, incluindo produtos farmacêuticos, produtos químicos finos, produtos químicos biológicos e biocombustíveis. Espera-se que esse fluxo de trabalho de biologia sintética faça contribuições significativas para a indústria de células inteligentes de próxima geração para a produção de produtos farmacêuticos e químicos complexos, bem como de materiais recém-descobertos.