A la seva tesi doctoral realitzada al Departament de Bioenginyeria d’IQS, la Dra. Núria Orive va dissenyar diferents estratègies d’enginyeria metabòlica per tal d’augmentar la producció de glicoglicerolípids, productes interessants per el seu ús potencial com a adjuvants de vacunes o supressors tumorals.
Dra. Núria Orive amb els professors Dra. Magda Faijes i Dr. Antoni Planas.
La producció sostenible és una de les principals prioritats europees. Aconseguir obtenir productes d’una forma que no tinguin un gran impacte mediambiental, alhora que siguin comercialment competitius, és un dels pilars bàsics que la Comissió ha establert per als pròxims anys.
La biologia sintètica permet donar solució als problemes actuals de la indústria de la mà de les factories cel·lulars. Aquesta nova estratègia pretén aconseguir productes de forma més eficient i, a més, més sostenible mitjançant fàbriques cel·lulars, bacteris o llevats, que han estat modificats genèticament i dissenyats per la síntesi d’una molècula d’interès.
Els glicolípids són productes d’alt valor degut a les seves propietats amfipàtiques que els doten d’un ampli rang d’aplicacions en els sectors químic (ex., biosurfactants) o biomèdic (ex., adjuvant de vacunes). Depenent de la unitat lipídica, aquests compostos poden ser classificats en diferents famílies. Si la unitat lipídica és una ceramida o diacilglicerol, el glicolípid resultant es coneixerà com a glicoesfingolípid o glicoglicerolípid (GGL) respectivament. Mentre que els primers han demostrat jugar un paper clau en diversos processos biològics, els GGLs són interessants degut al seu ús potencial com a adjuvants de vacunes o supressors tumorals.
Tot i que l’interès per aquests compostos és alt, la seva aplicació es veu obstaculitzada per la seva baixa disponibilitat i alt cost de producció. La síntesi química requereix de complexes passos de protecció i desprotecció per tal d’aconseguir la desitjada regio- i estereoespecificitat de l’enllaç glicosídic que, conseqüentment, comporta una reducció del rendiment i d’eficiència del procés. Per això, la biologia sintètica de la mà de l’enginyeria metabòlica ofereix el potencial per a la producció de glicolípids.
En estudis previs, el grup del Prof. Dr. Antoni Planas va reportar1 que l’enzim glicolípid sintasa MG517 de Mycoplasma genitalium era funcional en E. coli i que s’obtenien GGLs a partir de UDP-glucosa (UDP-Glc) i diacilglicerol (DAG), molècules pròpies d’aquest organisme.
Per tal d’augmentar la producció de GGL en aquesta primera generació de soques, recentment la Dra. Núria Orive Milla va defensar la seva tesi doctoral “Design of a new biological platform for the production of glycoglycerolipids” dirigida pels professors d’IQS Dra. Magda Faijes Simona i Dr. Antoni Planas Sauter. La tesi va ser realitzada al Laboratori de Bioquímica del Departament de Bioenginyeria d’ IQS School of Engineering i en col·laboració amb la Dra. Marjan de Mey del Center for Synthetic Biology de la Universitat de Ghent, Bèlgica2 .
En el decurs d’aquesta tesi, es va dissenyar cinc estratègies diferents d’enginyeria metabòlica per tal d’augmentar la producció de GGL utilitzant E. coli. Les primeres quatre estratègies tenien com a objectiu incrementar el pool del precursor lipídic, DAG.
La primera estratègia es basà en augmentar la disponibilitat de DAG a través de l’eliminació de reaccions en competència. Per aconseguir-ho, es van fer el knock-out de diferents gens involucrats en la ß-oxidació i l’activació d’àcids grassos (∆tesA i ∆fadE) reportant un increment en la producció de quasi el doble.
La segona estratègia, basada en incrementar la disponibilitat d’àcids grassos mitjançant la modulació de factors de transcripció (fabR i fadR), no va reportar un increment de la producció però sí un canvi en el perfil lipídic amb un increment d’àcids grassos insaturats.
La tercera estratègia es basà en incrementar la conversió dels donadors d’acils a àcid fosfatídic, precursor del DAG, sobre-expressant les aciltransferases PlsC i PlsB.
La quarta estratègia estava centrada en augmentar la disponibilitat del diacilglicerol per a la sobreexpressió de la proteïna de fusió PlsCxPgpB, capaç de redirigir el flux cap a DAG, o CDH promovent la hidròlisi de fosfolípids.
D’entre les diferent soques modificades, ∆tesA, co-expressant MG517 i la proteïna de fusió PlsCxPgpB, va ser la soca més productora, amb un 350% d’increment en la producció de GGL comparant-la amb la soca parental expressant únicament la glicolípid sintasa MG517.
Finalment, es va proposar també una estratègia metabòlica per incrementar la disponibilitat de l’altre precursor, UDP-Glc. Aquesta cinquena estratègia es basà en sobreexpressar l’enzim GalU, responsable de la biosíntesi d’UDP-Glc, i eliminant l’enzim que codifica per la UDP-sucre difosfatasa ushA. No obstant, cap d’aquestes modificacions va aconseguir millorar els nivells de GGLs.
Aquest projecte s’ha realitzat amb el suport del programa nacional BFU2016-77427-C2-1-R i BIO2013-49022-C2-1-R del Ministerio de Economía y Empresa d’Espanya i els Ajuts IQS pels estudis de Doctorat i la Societat Econòmica Barcelonesa d’Amics del País.
1 N. Mora-Buyé, M-Faijes, A.Planas, An engineered E.coli strain for the production of glycolycerolipids, Metabollic Engineering 14, 551-559 (2012)
2 N.Orive, T.Demulle, M. de Mey, M.Faijes, A.Planas, Metabolic engineering for glycerolypids production in E.coli: tuning phosphatidic acid and UDP-glucose pathways, Metabolic Engineering 61, 106-119 (2020)