Figura 1:O caminho para a conversão de dióxido de carbono em D-lactato. Synechocystis sp. O PCC 6803 produz glicogênio dentro de suas células a partir de CO2 e luz. Foi revelado que quando Synechocystis sp. PCC 6803 que acumulou glicogênio é colocado em condições de escuridão anóxicas, isso ativa a via metabólica (indicada pelas setas vermelhas) que promove a produção de D-lactona. Crédito:Kobe University
Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Kobe iluminou o mecanismo pelo qual as cianobactérias (Synechocystis sp. PCC 6803) produzem D-lactato, mostrando que a enzima málica facilita esta produção. Subseqüentemente, eles conseguiram produzir a taxa mais alta do mundo (26,6g / L) de D-lactato diretamente do CO 2 e luz, modificando a via de síntese de D-lactato usando engenharia genética.
Espera-se que este sucesso contribua para o desenvolvimento de importantes tecnologias de processo para a produção de ácido polilático, que é usado para fabricar plásticos biodegradáveis. Isso poderia ajudar a tornar o conceito de um ambiente sustentável, sociedade de baixo carbono uma realidade.
O grupo de pesquisa era composto pelo professor HASUNUMA Tomohisa (do Centro de Pesquisa em Biologia em Engenharia da Universidade de Kobe), Professor Associado do Projeto HIDESE Ryota (da Escola de Ciências da Universidade de Kobe, Tecnologia e Inovação) e Professor Associado OSANAI Takashi (da Escola de Agricultura da Universidade Meiji).
Os resultados desta pesquisa foram publicados online na revista científica internacional. Biologia Sintética ACS em 31 de janeiro, 2020.
A utilização da bioprodução para sintetizar compostos químicos versáteis e matérias-primas funcionais que geralmente são derivadas do petróleo é vital para o meio ambiente e a sustentabilidade dos recursos. Nos últimos anos, métodos de bioprodução usando micróbios têm ganhado atenção. Entre esses micróbios estão as microalgas. É possível produzir várias substâncias úteis, como óleos e pigmentos de microalgas usando luz solar e CO 2 .
A cianobactéria é um tipo de microalga de crescimento rápido fácil de modificar geneticamente. Cianobactérias já foram usadas para produzir D-lactato antes, no entanto, o baixo rendimento tem sido um obstáculo que impede a aplicação prática desses métodos.
Cianobactérias transformam-se em CO 2 no glicogênio do açúcar por meio da fotossíntese. Se as cianobactérias que acumularam glicogênio dentro de suas células forem colocadas em um ambiente escuro sem oxigênio, o glicogênio é metabolizado pelas cianobactérias e secreta ácidos orgânicos (como succínico e lático) no meio de crescimento.
Para sintetizar D-lactato a partir de cianobactérias, precisa haver um aumento na produção de piruvato. Este grupo de pesquisa descobriu que a enzima málica, que converte ácido málico em piruvato, é vital para a produção de D-lactato. Eles usaram metabolômica dinâmica para iluminar o mecanismo por trás da produção de D-lactato. Por meio dessa análise, eles descobriram que quando a enzima málica excessiva é produzida dentro das células, não só o ácido málico é convertido em piruvato, mas também a via de produção do piruvato a partir do glicogênio é ativada (Figura 1). O D-lactato é biossintetizado a partir do piruvato pela D-lactato desidrogenase. O grupo de pesquisa conseguiu produzir 26,6 g / L de D-lactato com uma taxa de conversão de 94,3% do glicogênio acumulado por engenharia genética da D-lactato desidrogenase para otimizar sua função (Figura 2).
Esta pesquisa representa um importante avanço no desenvolvimento de um processo industrial para a produção de D-lactato a partir de CO 2 . O grupo tem como objetivo continuar a aumentar a produção de D-lactato por meio da otimização da via metabólica e da análise das condições de cultivo.
Existe um grande mercado para D-lactato, que pode ser usado como matéria-prima na produção de estereocomplexo PLA que é um plástico biodegradável. Por outro lado, alta pureza e produtividade são necessárias para tornar viável a síntese biológica de D-lactato usando micróbios. Existem metodologias de bioprodução que usam micróbios heterotróficos como E. coli, no entanto, estes usam açúcar (glicose) do milho ou da cana-de-açúcar como fonte de energia para a produção. Isso significa que o cultivo dessas plantas para bioprodução causa uma série de problemas, como a competição com fontes de alimentos, uso de terras aráveis e recursos de água doce, e contribuição para a destruição ambiental (por exemplo, desmatamento).
Cianobactéria, por outro lado, é um micróbio ideal para a produção de substâncias úteis, uma vez que pode converter CO 2 fixados por fotossíntese em vários compostos alvo. Além disso, as cianobactérias têm uma capacidade de fotossíntese muito maior do que as plantas, o que significa que pode até ser cultivado sob luz forte. Não requer solo e muitas variedades podem ser cultivadas na água do mar. Portanto, espera-se que as cianobactérias possam fornecer a base definitiva para a bioprodução, uma vez que requer apenas luz solar, CO 2 e água do mar.
Figura 2:Taxa de produção de D-lactona de cianobactérias geneticamente modificadas. Sob condições de escuridão anóxicas, a densidade celular da solução de cianobactéria fermentada aumentou. Isso levou à produção bem-sucedida de 26,6 g / L de D-lactato, a taxa mais alta do mundo usando um microrganismo autotrófico. Crédito:Kobe University
É amplamente conhecido que as cianobactérias podem fornecer uma maneira de sintetizar D-lactato, e tentativas foram feitas para aumentar a produção de D-lactato usando modificação genética. Contudo, quase todos os sistemas que produzem D-lactato estão conectados à propagação por meio da fotossíntese, de forma que pequenas quantidades dessa substância-alvo são sintetizadas. A razão para isso é que o mecanismo de produção de D-lactato nas cianobactérias não foi bem compreendido.
As técnicas de análise de metaboloma permitem que os pesquisadores identifiquem e calculem a grande quantidade de compostos encontrados dentro das células. Este grupo de pesquisa desenvolveu a "Metabolômica Dinâmica" que lhes permitiu observar a quantidade de substâncias metabolizadas ao longo do tempo.
O Synechocystis sp. A cianobactéria PCC 6803 usada neste estudo é uma das cianobactérias mais comumente pesquisadas em todo o mundo. É um organismo modelo para a produção de fotossintato porque é fácil de modificar geneticamente e cresce rápido. Pesquisas anteriores conduzidas por este grupo usando metabolômica dinâmica mostraram que o ácido succínico é produzido principalmente por meio do ácido málico em Synechocystis sp. PCC 6803. O estudo atual enfocou a enzima málica, que converte ácido málico em piruvato. Primeiro, eles objetivaram elucidar os efeitos da enzima málica no metabolismo de Synechocystis sp. PCC 6803 por meio de metabolômica dinâmica. Seu objetivo subsequente era aumentar a produção de D-lactato usando engenharia metabólica.
Metodologia de Pesquisa
Dois tipos de células foram criados para investigar de forma abrangente o mecanismo por trás da produção de D-lactato:1. Células que não tinham função de enzima málica e 2. Células em que essa função foi otimizada, levando a uma superexpressão da enzima málica.
A metabolômica dinâmica foi usada para analisar a diferença no metabolismo entre essas duas células. Verificou-se que mais piruvato foi produzido a partir do glicogênio quando o nível de ácido málico nas células era baixo (Figura 1).
O grupo de pesquisa ainda células otimizadas para enzimas málicas modificadas geneticamente para superexpressar a D-lactato desidrogenase, e aumentou a função da D-lactato desidrogenase de produzir D-lactato a partir do piruvato. Além disso, o grupo modificou geneticamente as células para remover a enzima acetato quinase a fim de suprimir a produção de ácidos subprodutos.
A Synechocystis sp modificada. O PCC 6803 foi então cultivado em um ambiente escuro e anóxico (condições de fermentação). Sob estas condições, as células atingiram a densidade ideal. Este grupo de pesquisa excedeu em muito o maior rendimento mundial anterior de D-lactato (10,7 g / L), produzindo 26,6 g / L a uma taxa de 0,185 g / L / h (Figura 2). Acredita-se que esse achado possa contribuir para um processo de baixo custo para a produção de altos níveis de D-lactato.
Mais pesquisa
As cianobactérias podem ser utilizadas para produzir muitos compostos químicos versáteis e matérias-primas funcionais, no entanto, esta tecnologia ainda não está suficientemente desenvolvida para ser implementada em escala industrial. O grande problema é que níveis mais baixos do composto alvo são produzidos usando cianobactérias, em comparação com as quantidades produzidas com o uso de microrganismos heterotróficos. A pesquisa atual mostrou que a análise dinâmica da metabolômica é altamente eficaz para avaliar a função de Synechocystis. Com base no resultado da metabolômica dinâmica, este grupo permitiu que os Synechocystis funcionassem em todo o seu potencial, modificando geneticamente o seu metabolismo.
Espera-se que o aumento da produtividade fotossintética de cianobactérias por meio de metabolômica dinâmica e engenharia metabólica possa contribuir para a realização de uma sociedade de baixo carbono.
