En su tesis doctoral realizada en el Departamento de Bioingeniería de IQS, la Dra. Núria Orive diseñó diferentes estrategias de ingeniería metabólica para aumentar la producción de glicoglicerolípidos, productos interesantes por su uso potencial como adyuvantes de vacunas o supresores tumorales.
Dra. Núria Orive con los profesores Dra. Magda Faijes y Dr. Antoni Planas
La producción sostenible es una de las prioridades europeas. Conseguir obtener productos de una manera que no tengan un gran impacto medioambiental, a la vez que sean comercialmente competitivos, es uno de los pilares básicos que la Comisión ha establecido para los próximos años.
La biología sintética permite dar solución a los problemas actuales de la industria de la mano de las factorías celulares. Esta nueva estrategia pretende conseguir productos de forma más eficiente y, además, más sostenible, mediante fábricas celulares, bacterias o levaduras, que han sido modificados genéticamente y diseñados para la síntesis de una molécula de interés.
Los glicolípidos son productos de alto valor debido a sus propiedades anfipáticas que los dotan de un amplio rango de aplicaciones en los sectores químico (ej., biosurfactantes) o biomédico (ej., adyuvante de vacunas). Dependiendo de la unidad lipídica, estos compuestos se pueden clasificar en diferentes familias. Así, si la unidad lipídica es una ceramida o diacilglicerol, el glicolípido resultante se conocerá como glicoesfingolípido o glicoglicerolípido (GGL) respectivamente. Mientras que los primeros han demostrado jugar un papel clave en diversos procesos biológicos, los GGLs son interesantes debido a su uso potencial como adyuvantes de vacunas o supresores tumorales.
Aunque el interés por estos compuestos es alto, su aplicación se ve obstaculizada por su baja disponibilidad y alto coste de producción. La síntesis química requiere de complejos pasos de protección y desprotección para conseguir la deseada regio- y estereoespecificidad del enlace glicosídico que, consecuentemente, comporta una reducción del rendimiento y de la eficacia del proceso. Por esto, la biología sintética de la mano de la ingeniería metabólica ofrece el potencial para la producción de glicolípidos.
En estudios previos, el grupo del Prof. Dr. Antoni Planas reportó1 que el enzima glicolípido sintasa MG517 de Mycoplasma genitalium era funcional en E. coli y que se obtenían GGLs a partir de UDP-glucosa (UDP-Glc) i diacilglicerol (DAG), moléculas propias de este organismo.
Para aumentar la producción de GGL en esta primera generación de cepas, recientemente la Dra. Núria Orive defendió su tesis doctoral “Design of a new biological platform for the production of glycoglycerolipids”, dirigida por los profesores de IQS Dra. Magda Faijes Simona y Dr. Antoni Planas Sauter. La tesis fue realizada en el Laboratorio de Bioquímica del Departamento de Bioingeniería de IQS School of Engineering, en colaboración con la Dra. Marjan de Mey del Center for Synthetic Biology de la Universitat de Ghent, Bèlgica2 .
En el transcurso de esta tesis, se diseñaron cinco estrategias diferentes de ingeniería metabólica para aumentar la producción de GGL utilizando E.coli. Las primeras cuatro estrategias tenían como objetivo incrementar el pool del precursor lípidico, DAG. La primera estrategia se basó en aumentar la disponibilidad de DAG a través de la eliminación de reacciones en competencia. Para conseguirlo, se hicieron el knock-out de diferentes genes involucrados en la ß-oxidación y la activación de ácidos grasos (∆tesA y ∆fadE), reportando un aumento en la producción de casi el doble. La segunda estrategia, basada en incrementar la disponibilidad de ácidos grasos mediante la formulación de factores de transcripción (fabR y fadR) , no reportó un incremento de la producción pero sí un cambio en el perfil lipídico con un incremento de ácidos grasos insaturados.
La tercera estrategia se basó en incrementar la conversión de los donadores de acilos a ácido fosfatídico, precursor del DAG, sobre-expresando las aciltransferasas PlsC y PlsB. La cuarta estrategia estaba centrada en aumentar la disponibilidad de diacilglicerol para la sobreexpresión de la proteína de fusión PlsCxPgpB, capaz de redirigir el flujo hacia DAG, o CDH promoviendo la hidrólisis de fosfolípidos.
De entre las diferentes cepas modificadas, ∆tesA, co-expresante MG517 y la proteína de fusión PlsCxPgpB, fue la cepa más productora, con un 350% de incremento en la producción de GGL, comparándola con la cepa parental expresando únicamente la glicolipid sintasa MG517.
Finalmente, se propuso también una estrategia metabólica para incrementar la disponibilidad del otro precursor, UDP-Glc. Esta quinta estrategia se basó en sobreexpresar el enzima GalU, responsable de la biosíntesis de UDP-Glc, y eliminando el enzima que codifica para la UDP-azúcar difosfatasa ushA. No obstante, ninguna de estas modificaciones consiguió mejorar los niveles de GGLs.
Este proyecto se ha realizado con el soporte del programa nacional BFU2016-77427-C2-1-R y BIO2013-49022-C2-1-R del Ministerio de Economía y Empresa de España y las ayudas IQS para los estudios de Doctorado y de 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)