Uma colaboração de pesquisa descobriu um novo mecanismo pelo qual a glicose que foi capturada pela E. coli é então secretada da célula bacteriana como glicose-6-fosfato (G6P). Esta descoberta tem aplicações significativas para melhorar os métodos de produção sustentável de compostos aromáticos e matérias-primas úteis para as indústrias de medicamentos, alimentos e química (entre outras) a partir da biomassa. O grupo de pesquisa consistiu no Professor Associado Tanaka Tsutomu da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Kobe, no Pesquisador Especial de Pós-Doutorado Fujiwara Ryosuke e no Pesquisador Noda Shuhei et al. do RIKEN Center for Sustainable Resource Science, e Professor Umetsu Mitsuo et al. da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Tohoku.
Com base no mecanismo descoberto, os pesquisadores desenvolveram com sucesso uma nova técnica para aumentar a produção do composto alvo combinando engenharia metabólica e engenharia de superfície celular.

Espera-se que, aplicando esta técnica, seja possível aumentar muito a quantidade de composto alvo produzido pela adição de uma pequena quantidade de 'especiaria metabólica' ao caldo de cultura do micróbio.

Esses resultados de pesquisa foram publicados em Engenharia Metabólica em 5 de março de 2022.

Principais pontos

• Os pesquisadores descobriram que uma porção da glicose capturada pela E. coli foi secretada como glicose-6-fosfato (G6P).
• Eles desenvolveram com sucesso uma nova técnica que pode aumentar a produção de vários compostos prendendo o G6P secretado na superfície das bactérias.
• Espera-se que a nova técnica possa ser aplicada a 'especiarias metabólicas'. Isso permitirá que grandes quantidades de compostos úteis sejam produzidos simplesmente adicionando uma pequena quantidade de 'especiaria metabólica' ao caldo de cultura do micróbio.

Antecedentes da pesquisa

Uma grande vantagem dos produtos derivados da biomassa (recursos renováveis ​​de baixo custo e abundantes na natureza, como grama e árvores) é que são neutros em carbono; sua produção e descarte não aumentam o CO atmosférico₂ níveis. Nas tecnologias de bioprodução, essa biomassa é utilizada como matéria-prima e micróbios são aplicados a ela para produzir compostos alvo (por exemplo, compostos aromáticos para indústrias químicas, farmacêuticas, alimentícias, entre outras). O desenvolvimento dessas tecnologias contribui para os ODS e é vital para a realização de uma sociedade de baixo carbono.

O grupo de pesquisa do professor associado Tanaka exibiu enzimas de decomposição de biomassa na superfície de uma variedade de micróbios e desenvolveu tecnologia de engenharia de superfície celular para melhorar a resolução espacial da biomassa. Os micróbios degradam os açúcares encontrados na biomassa vegetal, como celulose e celo-oligossacarídeos, em glicose. Em seu estudo anterior, os pesquisadores projetaram metabolicamente os micróbios para que a glicose degradada fosse capturada pelos micróbios e usada apenas para produzir o composto alvo.

No decorrer desta pesquisa, eles descobriram um novo fenômeno completamente alheio à degradação da biomassa. Eles descobriram que a produção do composto alvo foi aumentada pela expressão da superfície da enzima. Utilizando esse fenômeno, eles demonstraram que era possível aumentar a taxa e a quantidade de produção de compostos derivados de biomassa, contribuindo para a descarbonização da produção de matéria. O grupo então realizou mais pesquisas com o objetivo de entender o mecanismo por trás desse fenômeno e aplicá-lo a especiarias metabólicas.

Metodologia de pesquisa

Este grupo de pesquisa descobriu um fenômeno completamente novo pelo qual uma porção da glicose capturada pelo microrganismo modelo E. coli é ejetada da célula bacteriana como glicose-6-fosfato (G6P). Normalmente, os micróbios convertem continuamente a glicose (sua fonte de nutrição) em G6P e a capturam dentro de suas células. Até agora, pensava-se que o G6P não era ejetado das células bacterianas uma vez capturadas. Este estudo revelou um novo mecanismo pelo qual E. coli ejeta G6P, contrariando a teoria comumente aceita. A enzima de degradação de biomassa é expressa na superfície celular do micróbio e ejeta o G6P. Os pesquisadores descobriram que aprisionar temporariamente esse G6P estimulou o metabolismo dentro das células de E. coli, aumentando assim a produção do composto alvo.

Em seguida, o grupo de pesquisa utilizou esse mecanismo para localizar várias proteínas que podem prender G6P na superfície da célula bacteriana. Desta forma, eles desenvolveram uma nova técnica para aumentar a produção do composto alvo. Eles demonstraram com sucesso a nova técnica, produzindo quantidades aumentadas do aminoácido aromático fenilalanina.

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Além disso, eles também aumentaram a produção do aminoácido aromático tirosina e ácido mucônico (um ácido Dicarboxílico útil) usando a técnica desenvolvida. O ácido mucônico, em particular, é um produto químico industrial muito importante e útil. Ele pode ser facilmente convertido em ácido adípico, um ingrediente na produção de nylon e também é usado como matéria-prima na produção de diversos medicamentos e produtos químicos. Esses resultados demonstram que esta nova técnica é altamente versátil e pode ser aplicada na produção de diversos compostos químicos.

Outros desenvolvimentos

O grupo de pesquisa confirmou que, como alternativa à expressão de proteínas na superfície das células bacterianas, é possível fazer o mesmo fenômeno ocorrer adicionando uma molécula especial ao caldo de cultura. Os pesquisadores denominaram pequenas moléculas que possuem essa característica de 'especiarias metabólicas' e estão atualmente trabalhando para desenvolvê-las. Eles esperam aumentar a produção do composto alvo simplesmente adicionando uma pequena quantidade de tempero metabólico ao caldo de cultura do micróbio, sem a necessidade de engenharia genética do micróbio.

Além disso, esta técnica melhora vias metabólicas específicas e aumenta o fornecimento de precursores para várias substâncias úteis). Também pode ser aplicado mesmo nos casos em que o produto final não pode ser determinado. Além disso, os resultados deste estudo mostraram que um nível moderado de seletividade e afinidade com G6P é suficiente.

A abordagem de especiarias metabólicas é diferente das abordagens existentes para descobrir produtos químicos com alta seletividade e afinidade. Portanto, é provável que existam novos candidatos para a abordagem metabólica de especiarias entre os 'produtos químicos rejeitados' catalogados nas bibliotecas químicas mantidas por várias indústrias. Espera-se que isso leve a novas colaborações academia-indústria mesmo com empresas que não têm envolvimento prévio na bioprodução. + Explorar mais

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