El Grupo de Química Biológica y Biotecnología – GQBB de IQS, liderado por el Dr. Antoni Planas Sauter, ha llevado a cabo el proyecto Glycodesign con el objetivo de comprender y modificar la especificidad de sustrato de enzimas activos sobre carbohidrato o CAZymes, una clase ubicuadeenzimas que catalizan la biosíntesis, descomposición y transformación de estructuras de glicanos. A partir de CAZymes diana, en este proyecto se han producido glicanos y glicoconjugados de alto valor para aplicaciones en biotecnología y biomedicina, mediante la aplicación de Ingeniería de proteínas e Ingeniería metabólica.
El proyecto Glycodesign, liderado por el grupo GQBB, ha producido glicanos y gliconjugados de alto valor añadido para aplicaciones en biotecnología y biomedicina, mediante la aplicación de ingeniería de proteínas e ingeniería metabólica.
Ingeniería enzimática de CAZymes. Estructura-función y biocatálisis
Mediante el direccionamiento a diferentes clases de CAZymes – carbohidrato estearasas, glicosiltransferasas y glicosidasas –, los investigadores del proyecto Glycodesign han estudiado y comprendido la especificidad de los enzimas para modular o modificar el reconocimiento de los distintos substratos y poder crear biocatalizadores para la producción de diferentes glicanos bioactivos. Así:
- Se ha estudiado la ingeniería de quitina desacetilasas para producir quitooligosacáridos de secuencia definida, consiguiendo un mutante altamente activo que actúa sobre quitooligosacáridos de mayor tamaño y demostrando el papel crítico de la dinámica de ‘loops’ del centro activo en la especificidad (Tesis doctoral Dr. Sergi Pascual)
- Para desentrañar los determinantes estructurales de la especificidad de MurNAc frente a GlcNAc en desacetilasas de péptidoglicano, se ha caracterizado una nueva desacetilasa con doble especificidad, proponiendouna nueva clasificación de subfamilias (Tesisdoctoral Dra. Laia Grifoll)
- Se ha conseguido la síntesis enzimática de oligosacáridos de leche humana (HMOs), diseñando una lacto-N-biosidasa como enzima con actividad transglicosidasa para la síntesis de lacto-N-tetraosa (LNT), el principal HMO de clase I. (Tesis doctoral Mireia Castejón)
Por otro lado, dentro del ámbito computacional, gracias a la investigación desarrollada en Glycodesign se han podido introducir nuevas métricas como funciones de puntuación (electrostática y afinidad), que han sido aplicadas a enzimas diana en el laboratorio. Esta parte de la investigación se ha llevado a cabo mediante la herramienta Bindscan desarrollada por el propio grupo GQBB como soporte en el diseño experimental de proteínas.
Ingeniería metabólica con CAZymes
En una segunda área de trabajo, en Glycodesign se han desarrollado plataformas celulares (bacterias, levaduras y microalgas) mediante ingeniería metabólica, para la producción de glicolípidos, consiguiendo aquí diferentes objetivos, como son:
- Avanzar en el desarrollo de una cepa de S.cerevisiae metabólicamente modificada para producir α-galactosilceramida (α-GalCer), habiendo caracterizado una nueva α-galactosiltransferasa con una especificidad única(Tesis doctoral Dr. Marc Caballé). Actualmente, el grupo GQBB se está modificando, por ingeniería, el metabolismo de la fitoceramida para generar la plataforma celular para la producción de α-GalCer.
- Se ha iniciado la ingeniería del metabolismo del cloroplasto de la microalga C. reinhardtii para la biosíntesis de ramnolípidos como biosurfactantes (Tesis doctoral Dr. Bernat Miró). El éxito de esta ingeniería ha permitido la producción del precursor lípido HAA de los ramnolípidos.
- Se ha diseñado un módulo de un primer sistema optogenético nuclear en microalgas para el control conmutable por luz de la expresión génica en biológica sintética. Actualmente, el grupo está trabajando en un nuevo diseño de sistema de control optogenético para el control de la expresión génica en cloroplasto.
- Finalmente, se ha llevado a cabo ingeniería de cepas de E.coli como una plataforma de producción celular capaz de utilizar acetato como materia prima. Los prometedores resultados de un nuevo sistema de selección sin antibióticos, utilizando acetato como una fuente de carbono, y el sistema de selección de plásmidos allanando el camino para futuras mejoras hacia una plataforma celular eficiente para la producción de bioproductos
Como resultado de este proyecto, se han defendido diversas tesis doctorales, se han publicado 22 artículos en diferentes revistas científicas y el Capítulo 2 – Glycoside hydrolases: mechanisms, specifities and engineering en el libro Glycoside Hydrolases Biochemistry, Biophysics and Biotechnology (2023), además de diversas colaboraciones científicas (nacionales e internacionales) y diversas colaboraciones con empresas.
El proyecto Glycodesign recibió financiación del Ministerio 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.
