Pesquisadores da Universidade de Kobe desenvolveram com sucesso um chassi de tirosina (uma cepa de microorganismo com alta produtividade de tirosina) na levedura Pichia pastoris por meio de engenharia racional. Além disso, eles usaram esse chassi de tirosina para desenvolver células inteligentes que podem produzir os compostos derivados de plantas resveratrol, naringenina, norcoclaurina e reticulina, respectivamente. Esses compostos têm uma ampla gama de aplicações; por exemplo, eles são usados ​​para adicionar nutrição aos alimentos e como matéria-prima para medicamentos. Espera-se que este chassi de tirosina possa ser usado como ponto de partida para a biossíntese de alto rendimento de vários compostos úteis e produtos químicos genéricos.
Este estudo da Universidade de Kobe foi conduzido por um grupo de pesquisa que incluiu Ph.D. estudante Kumokita Ryota (Escola de Pós-Graduação em Ciência, Tecnologia e Inovação) e Professor Hasunuma Tomohisa (Centro de Pesquisa em Engenharia Biologia).

Os resultados da pesquisa foram publicados na revista científica internacional ACS Synthetic Biology em 16 de maio de 2022.

Compostos aromáticos bioativos derivados de plantas, como estilbenóides, flavonóides e alcalóides benzilisoquinolínicos (BIAs) são produzidos a partir da tirosina. Esses compostos têm uma gama diversificada de aplicações em muitas indústrias, incluindo produção química, alimentos, cosméticos e indústrias farmacêuticas. Esses compostos aromáticos são atualmente produzidos por extração direta das plantas, no entanto, apenas pequenas quantidades são encontradas no interior das plantas e o rendimento depende muito do clima e do clima. Não há uma oferta estável.

Nos últimos anos, avanços na biologia sintética levaram ao desenvolvimento de técnicas para produzir compostos úteis. Essas técnicas aproveitam a capacidade dos microrganismos de produzir substâncias através da introdução de vias metabólicas derivadas de plantas no microrganismo para que ele produza o composto alvo. Dos microrganismos, as leveduras têm recebido atenção como hospedeiras para a produção de compostos, pois se destacam na biossíntese de compostos derivados de plantas. No entanto, o potencial das leveduras para a produção de compostos derivados da tirosina não era claro, pois poucos sucessos foram relatados.

Neste estudo, os pesquisadores começaram criando uma cepa de levedura que poderia produzir altos rendimentos de tirosina. Usando esta nova cepa como ponto de partida, eles fizeram alterações em seu metabolismo para atingir o objetivo acima mencionado de produzir altos rendimentos de vários compostos úteis. O tipo de levedura que eles focaram foi o P. pastoris. P. pastoris se multiplica rapidamente em condições aeróbicas e não produz subprodutos fermentativos (etanol), o que significa que tem o potencial de produzir altos rendimentos de um composto alvo em um curto período de tempo. No entanto, nenhum estudo havia relatado sobre a produção de compostos derivados de tirosina em P. pastoris e não se sabia quais genes seriam úteis para produzir altos rendimentos. Ao realizar uma avaliação simples sobre a quantidade de tirosina produzida, os pesquisadores também procuraram genes que melhoram a produção de tirosina. Eles então avaliaram o potencial de P. pastoris para biossintetizar compostos úteis derivados de tirosina através da introdução de vias de biossíntese na levedura para cada um dos seguintes:o estilbenoide resveratrol, o flavonoide naringenina e os BIAs norcoclaurina e reticulina.

Em primeiro lugar, os pesquisadores começaram a encontrar genes em cepas de levedura que aumentam a produção de tirosina. Para fazer isso, eles se concentraram na betaxantina, que pode ser produzida a partir da tirosina em uma reação de 3 etapas (Figura 1).

A betaxantina é um pigmento amarelo que emite fluorescência verde. Portanto, é fácil avaliar a força do fluxo metabólico para a tirosina observando a intensidade e a cor da fluorescência. Ao criar esse método de avaliação, os pesquisadores descobriram genes que melhoraram a produtividade da tirosina e usaram esse conhecimento para desenvolver com sucesso uma cepa de P. pastoris com alta produtividade da tirosina (Figura 2).

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O próximo objetivo dos pesquisadores era melhorar a taxa de produção de vários compostos derivados de tirosina úteis, modificando o metabolismo da cepa de alta produtividade. Eles conseguiram melhorar muito a produção de resveratrol, naringenina e norcoclaurina através da introdução de vias de biossíntese específicas (Figura 1) para cada um, revelando que P. pastoris pode produzir altos rendimentos de compostos derivados de tirosina (Figura 3).

Posteriormente, o grupo de pesquisa analisou de forma abrangente os metabólitos intracelulares na nova cepa de P. pastoris que eles desenvolveram e investigou o mecanismo para a alta produtividade da tirosina. Os resultados revelaram que um grande número de metabólitos da via do chiquimato envolvidos na síntese de tirosina e tirosina se acumularam na cepa projetada (Figura 4). Esses resultados mostram que a modificação do metabolismo melhorou com sucesso o fluxo metabólico para a tirosina. Existe um potencial futuro para aumentar ainda mais a produção de compostos úteis que podem ser biossintetizados a partir da tirosina, otimizando o metabolismo da via do chiquimato.

Por fim, os pesquisadores pretendiam produzir compostos derivados de tirosina por meio de fermentação com glicerol bruto como meio de crescimento. O glicerol bruto é um importante subproduto residual da produção de biodiesel (uma alternativa potencial ao combustível petroquímico). O grupo de pesquisa utilizou o líquido (Figura 5, à direita) obtido da neutralização do glicerol bruto como meio de crescimento em um experimento de produção microbiana. Nesse experimento, eles conseguiram produzir as mesmas quantidades de resveratrol, naringenina e norcoclaurina que quando o glicerol puro foi usado. Estes resultados mostram que P. pastoris pode não só produzir compostos úteis a partir de glicerol puro, mas também de glicerol bruto.

O chassi de tirosina desenvolvido através desta pesquisa pode ser aplicado à produção fermentativa de vários compostos úteis e produtos químicos genéricos que podem ser biossintetizados a partir de tirosina. Além disso, os pesquisadores esperam aumentar ainda mais a produção de compostos derivados da tirosina usando os resultados da análise do metaboloma de sua nova cepa de P. pastoris como base para a otimização da via metabólica. + Explorar mais

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