Pesquisadores da Universidade de Princeton criaram uma maneira nova e aprimorada de controlar com mais precisão as bactérias geneticamente modificadas:simplesmente ligando e desligando as luzes. Trabalhando em E. coli , o organismo burro de carga para os cientistas projetarem o metabolismo, os pesquisadores desenvolveram um sistema para controlar um dos principais circuitos genéticos necessários para transformar bactérias em fábricas químicas que produzem compostos valiosos, como o biocombustível isobutanol.

"Tudo que você precisa é iluminação, "disse José Avalos, professor assistente de engenharia química e biológica na Universidade de Princeton e no Centro Andlinger de Energia e Meio Ambiente ", e autor sênior das descobertas, publicado em Nature Chemical Biology . "Existem muitos benefícios potenciais, um deles é a capacidade de ajustar e reverter facilmente o sinal de indução. "

O novo trabalho baseia-se no trabalho anterior de Avalos e seus colegas, descrito em Natureza em 2018, em que eles projetaram de fermento para produzir produtos químicos na presença ou ausência de luz. E. coli , Contudo, é ainda mais amplamente utilizado por cientistas e engenheiros do que o fermento.

Avalos e seus colegas não são os primeiros a criar E. coli cuja expressão gênica é controlada pela luz. Mas eles são os primeiros a usar a luz para controlar a produção de produtos químicos. Eles também são os primeiros a usar luz para controlar o operon lac, um grupo de genes que é mais comumente utilizado para indução química em E. coli . "O operon lac é o circuito padrão ouro que as pessoas usam há décadas, "Avalos disse." Não é um eufemismo dizer que aproveitar o operon lac é uma das principais conquistas que possibilitaram a explosão da biotecnologia.

Quando os cientistas fazem engenharia E. coli para produzir uma proteína ou produto químico através do operon lac, eles normalmente tornam essa função induzível, em vez de algo que ocorre o tempo todo. Por aqui, a cultura de bactérias pode crescer normalmente até que os cientistas estejam prontos para colocá-la em uso. Usualmente, os pesquisadores contam com a adição de uma substância química para desencadear a expressão do traço geneticamente modificado em questão. Mas esse método tem algumas limitações sérias. "Se você adicionar um produto químico, é isso, você se comprometeu, "Avalos disse." Está feito e você não pode remover facilmente o produto químico, então você só tem que esperar e ver se adicionou a dose certa. "

Em vez de depender de um indutor químico, A bactéria recém-desenvolvida de Avalos e seus colegas usa a ausência de luz para induzir reações que levam à produção de produtos químicos ou de proteínas. Isso permite que os pesquisadores diminuam ou parem a reação simplesmente acendendo a luz. A luz também permite que eles controlem onde ocorre a reação. Em uma demonstração, Avalos e seus colegas escureceram apenas algumas seções de sua placa de Petri bacteriana com o estêncil de um tigre, criando uma impressão fluorescente de tigre por meio da reação da bactéria ativada seletivamente. "Novamente, isso é algo que você não poderia fazer facilmente com um produto químico, porque você não seria capaz de controlar a difusão do produto químico tão facilmente, "Avalos disse. Luz, ao contrário de produtos químicos, também é relativamente barato, ele adiciona, portanto, usá-lo reduzirá custos e provavelmente a pegada de carbono dos processos.

OptoLac, Avalos e o novo método optogenético - ou baseado em luz - de seus colegas, agora oferece aos cientistas a capacidade de aproveitar a força das tecnologias preexistentes de operon lac com maior precisão e controle.

"O trabalho foi bem executado e adiciona uma nova ferramenta à caixa de ferramentas de ativadores de expressão de genes optogenéticos em E. coli , "disse Mustafa Khammash, professor de teoria de controle e biologia de sistemas na ETH Zürich, que não participou da pesquisa. "A expressão do gene optogenético oferece a possibilidade de usar luz em vez de pequenas moléculas para controlar uma grande variedade de processos biológicos com o mínimo de esforço, e os autores ilustram isso de forma convincente, demonstrando o uso de OptoLAC para alcançar melhorias impressionantes na produção de produtos químicos e de proteínas em E. coli . "

E. coli é atualmente usado para a produção industrial de uma ampla gama de commodities e especialidades químicas, de blocos de construção de plásticos e fibras sintéticas, a produtos químicos de última geração, como pigmentos e fragrâncias. E. coli também é frequentemente usado por cientistas para entender melhor os princípios básicos do metabolismo, vias biossintéticas e além. Portanto, esta tecnologia pode ter implicações importantes não apenas na biotecnologia, mas também na pesquisa básica, Avalos disse.

Avalos planeja explorar mais aplicativos habilitados pela OptoLAC, incluindo o ajuste fino de vias metabólicas complexas, melhorando a produção de proteínas que são difíceis de fazer e controlando outras funções bacterianas interessantes. "Num sentido, grande parte da nossa motivação era quebrar o molde da forma como as coisas são feitas agora, "Avalos disse." Uma pergunta que continuamos nos perguntando é:'Como podemos fazer isso melhor?' "