Enginyeria enzimàtica per disseny de biocatalitzadors

El Grup de Química Biològica i Biotecnològica – GQBB d’IQS, liderat pel Dr. Antoni Planas Sauter, ha dut a terme el projecte Glycodesign, amb l’objectiu de comprendre i modificar l’especificitat de substrat d’enzims actius sobre carbohidrat o CAZymes, una classe ubiqua d’enzims que catalitzen la biosíntesi, descomposició i transformació d’estructures de glicans. A partir de CAZYmes diana, en aquest projecte s’han produït glicans i glicoconjugats d’alt valor per aplicacions en biotecnologia i biomedicina, mitjançant l’aplicació d’Enginyeria de proteïnes i Enginyeria metabòlica.

Mitjançant l’adreçament a diferents classes de CAZymes – carbohidrat esterases, glicosiltransferases i glicosidases –, els investigadors del projecte Glycodesign han estudiat i comprés l’especificitat dels enzims per modular o modificar el reconeixement dels diferents substrats i poder crear biocatalitzadors per a la producció de diferents glicans bioactius. Així:

• S’ha estudiat l’enginyeria de quitina desacetilases per produir quitooligosacàrids de seqüència definida, aconseguint un mutant altament actiu que actua sobre quitooligosacàrids més grans i demostrant el paper crític de la dinàmica de ‘loops’ del centre actiu en l’especificitat (Tesi doctoral Dr. Sergi Pascual)
• Per desentranyar els determinants estructurals de l’especificitat de MurNAc enfront de GlcNAc en desacetilases de peptidoglicà, s’ha caracteritzat una nova desacetilasa amb doble especificitat, proposant una nova classificació de subfamílies (Tesi doctoral Dra. Laia Grifoll)
• S’ha aconseguit la síntesi enzimàtica d’oligosacàrdis de llet humana (HMOs), dissenyant una lacto-N-biosidasa com enzim amb activitat transglicosidasa per a la síntesi de lacto-N-tetraosa (LNT), el principal HMO de classe I. (Tesi doctoral Mireia Castejón)

Per altra banda, dins de l’àmbit computacional, gràcies a la recerca desenvolupada a Glycodesign s’han pogut introduir noves mètriques com funcions de puntuació (electrostàtica i afinitat), les quals han estat aplicades a enzims diana al laboratori. Aquesta part de la recerca s’ha dut a terme mitjançant l’eina Bindscan desenvolupada pel mateix grup GQBB com a suport en el disseny experimental de proteïnes.

En una segona àrea de treball, a Glycodesign s’han desenvolupat plataformes cel·lulars (bacteris, llevats i microalgues) mitjançant enginyeria metabòlica, per a la producció de glicolípids, aconseguint aquí diversos objectius, com són:

• Avançar en el desenvolupament d’una soca de S. cerevisiae metabòlicament modificadaper a produirα-galactosilceramida (α-GalCer), havent caracteritzat una nova α-galactosiltransferasa amb una especificitat única (Tesi doctoral Dr. Marc Caballé). Actualment, en el grup GQBB s’està modificant, per enginyeria, el metabolisme de la fitoceramida per a generar la plataforma cel·lular per a la producció de α-GalCer.
• S’ha iniciat l’enginyeria del metabolisme del cloroplast de la microalga C. reinhardtii per a la biosíntesi de ramnolípids com a biosurfactantes (Tesi doctoral Dr. Bernat Miró). L’èxit d’aquesta enginyeria ha permès la producció del precursor lipídic HAA dels ramnolípids.
• S’ha dissenyat un mòdul d’un primer sistema optogenètic nuclear en microalgues per al control commutable per llum de l’expressió gènica en biologia sintètica. Actualment, el grup treballa en un nou disseny de sistema de control optogenètic per al control de l’expressió gènica en cloroplast.
• Finalment, s’ha dut a terme enginyeria de soques de E.coli com a plataforma de producció cel·lular capaç d’utilitzar acetat com a matèria primera. Els prometedors resultats d’un nou sistema de selecció sense antibiòtics, utilitzant acetat com a font de carboni, i el sistema de selecció de plasmidis aplanen el camí per a futures millores cap a una plataforma cel·lular eficient per a laproducció de bioproductes.

Com a resultat d’aquest projecte, s’han defensat diverses tesis doctorals, s’han publicat 22 articles en diferents revistes científics i el Capítol 2 – Glycoside hydrolases: mechanisms, specifities and engineering al llibre Glycoside Hydrolases Biochemistry, Biophysics and Biotechnology (2023), a més de diverses col·laboracions científiques (nacionals i internacionals) i diverses col·laboracions amb empreses.

El projecte Glycodesign va rebre finançament del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades – Agencia Estatal de Investigación (PID2019-104350RB-I00), dins de la convocatòria dels Programes Estatals de Generació de Coneixement i Enfortiment Científic i Tecnològic del sistema de R+D+i orientada als reptes de la societat.o de Ciencia, Innovación y Universidades – Agencia Estatal de Investigación (PID2019-104350RB-I00), dentro de la convocatoria de los Programas Estatales de Generación de Conocimiento y Fortalecimiento Científico y Tecnológico del sistema de I+D+i orientada a los retos de la sociedad.