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A utilização de micróbios modificados como fábricas microscópicas proporcionou ao mundo fontes constantes de medicamentos que salvam vidas, revolucionou a indústria alimentar e permitiu-nos fabricar versões sustentáveis de produtos químicos valiosos anteriormente produzidos a partir do petróleo.
Mas por trás de cada produto biofabricado no mercado hoje está o investimento de anos de trabalho e muitos milhões de dólares em financiamento de pesquisa e desenvolvimento. Os cientistas do Berkeley Lab querem ajudar a crescente indústria a alcançar novos patamares, acelerando e simplificando o processo de engenharia de micróbios para produzir compostos importantes com eficiência comercial.
Uma equipe liderada pela cientista sênior Aindrila Mukhopadhyay desenvolveu um fluxo de trabalho que combina a edição genética CRISPR com um conjunto de modelos computacionais de expressão genética microbiana e atividade enzimática que pode ser usado para prever as edições genéticas necessárias. Seu último trabalho foi publicado recentemente em Relatórios de células.
“Grande parte do projeto de cepas ainda é baseado em tentativa e erro, o que é trabalhoso e demorado. Demonstramos que combinar abordagens direcionadas que se concentram em genes e proteínas específicos com métodos que modelam todo o genoma pode reduzir tremendamente o desenvolvimento do produto ciclos de anos a meses”, disse o coautor Thomas Eng, que é vice-diretor de engenharia de host do Joint BioEnergy Institute (JBEI), um centro de pesquisa de bioenergia do Departamento de Energia liderado pela área de biociências do Berkeley Lab.
O fluxo de trabalho, chamado Product Substrate Pairing (PSP), já se mostrou muito promissor para cepas de engenharia que podem converter fontes alimentares bacterianas comuns em moléculas alvo. Mas para demonstrar o verdadeiro poder da abordagem, o seu novo trabalho concentrou-se no desenvolvimento de uma estirpe que pudesse alimentar-se de moléculas derivadas da lignina – um tipo de tecido vegetal fibroso e resistente. A lignina é um precursor ecológico ideal para alimentar micróbios de biofabricação porque é abundante nas centenas de milhões de toneladas de resíduos vegetais gerados todos os anos a partir de culturas pós-colheita e limpeza de paisagens. Atualmente, a maioria dos processos de biofabricação depende de moléculas simples de açúcar derivadas de culturas especialmente cultivadas chamadas matérias-primas, mas ao reciclar a abundante lignina já disponível, os cientistas do JBEI esperam tornar a produção de base biológica mais renovável e neutra em carbono.
A equipe começou com uma cepa de bactéria que pode se alimentar naturalmente de um derivado da lignina, depois usou o PSP para investigar quais genes nativos precisavam ser excluídos, quais genes não-nativos precisavam ser inseridos e quais condições de cultivo eram necessárias para o desenvolvimento. bactérias para produzir altos níveis de um composto não nativo. Milhares de projetos computacionais foram avaliados e, eventualmente, dois foram testados em laboratório. Nesse caso, eles editaram as bactérias para produzir indigoidina, um corante azul com muitos usos próprios que também serve como um bom substituto para outras moléculas desejáveis. Através de rodadas iterativas de modelagem computacional e cultura e análise do mundo real de cepas modificadas por CRISPR, os autores demonstraram um fluxo de trabalho generalizável que remove a muleta do projeto de cepas por tentativa e erro.
“O molho especial vem de como ferramentas bem estabelecidas são integradas para criar um fluxo de trabalho que é aplicável a qualquer micróbio e qualquer bioprocesso”, disse o coautor Deepanwita Banerjee, que é cientista de pesquisa computacional no Host Engineering Group do JBEI. “Nosso artigo de mudança de paradigma demonstra uma maneira lógica e eficiente de construir e testar cepas que se baseia em como as células se comportam em cada etapa do ciclo de desenvolvimento. Este é um grande passo em direção a uma compreensão preditiva da função celular.”
A equipe também recorreu à experiência e instrumentação do Berkeley Lab para caracterizar completamente suas fábricas microbianas por meio de muitas rubricas diferentes. Christopher J. Petzold e o Grupo de Genômica Funcional da JBEI aproveitaram métodos de alto rendimento para caracterizar rapidamente como as cepas modificaram sua expressão proteica para esse novo propósito. Carolyn Larabell, cientista sênior da área de Biociências, e sua equipe realizaram tomografia de raios X suave na Advanced Light Source para fornecer imagens de altíssima resolução que ajudam a identificar quais células são mais adequadas para a biofabricação. Finalmente, Blake Simmons e cientistas da Divisão de Desconstrução da JBEI forneceram orientação e amostras de sorgo rico em lignina para demonstrar como esse processo de biofabricação funcionaria em condições do mundo real.
Após cerca de um ano de trabalho, a equipe conseguiu projetar uma cepa com um rendimento extremamente alto de 77%.
“Todo o empreendimento da biofabricação sustentável depende da nossa capacidade de usar uma ampla gama de materiais iniciais”, disse Mukhopadhyay, vice-presidente de biocombustíveis e bioprodutos e diretor de engenharia de host da JBEI. “No entanto, os métodos individuais podem ser limitados pelo nosso conhecimento incompleto de precursores menos compreendidos. Nosso fluxo de trabalho conjunto utiliza ferramentas bem desenvolvidas e deve ser aplicável a muitas fontes de carbono, sistemas microbianos e alvos de biofabricação.”
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