Sistemas de Cultivo, Valor Nutricional

Hackean el reloj circadiano de las cianobacterias para impulsar la bioproducción

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By Milthon Lujan

Cultivo de cianobacterias. Fuente: Vanderbilt University
Cultivo de cianobacterias. Fuente: Vanderbilt University

¡Imagínese aprovechar el poder de la luz solar para crear medicamentos, combustibles limpios y productos químicos esenciales! Ésa es la promesa de la «biotecnología verde», y las cianobacterias son los pequeños campeones a la vanguardia. Estas bacterias fotosintéticas actúan como «biorreactores» naturales, impulsados por el sol y expertos en convertir CO2 en productos valiosos.

Pero hay un problema: los niveles actuales de producción de cianobacterias van a la zaga de otros organismos. Los investigadores de la Vanderbilt University ahora han descubierto una nueva estrategia para liberar todo el potencial de las cianobacterias: manipular su reloj interno. Este «reloj circadiano» regula la expresión genética a lo largo del día, lo que afecta la eficiencia con la que las cianobacterias producen las moléculas deseadas.

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El equipo de investigadores, liderados por Carl H. Johnson, profesor de Ciencias Biológicas de Cornelius Vanderbilt, han logrado ajustar el reloj biológico diario de las cianobacterias, haciendo de las algas verdiazules un productor más prolífico de combustibles renovables, productos químicos y productos farmacéuticos como la insulina.

¿Por qué cianobacterias?

Estas maravillas unicelulares cuentan con varias ventajas:

  • Alimentación solar: Aprovechan la luz solar para obtener energía, lo que los convierte en una opción sostenible y ecológica.
  • Fijadores de CO2: Captan eficientemente el dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, y lo convierten en compuestos útiles.
  • Necesidades simples: Prosperan en entornos mínimos y requieren pocos recursos.

Rompiendo el cuello de botella: reprogramando el reloj interno

Durante años, los científicos han estado trabajando para hacer de las cianobacterias una fábrica de células microbianas más fructífera y versátil. Sin embargo, la investigación no ha avanzado tan rápido como lo ha hecho con otros microbios como E. coli y levadura.

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A pesar de su potencial, los métodos tradicionales para impulsar la bioproducción en cianobacterias, como el uso de promotores fuertes, no han dado resultados óptimos. Este nuevo estudio revela un error fundamental: estos enfoques pasaron por alto el estricto control ejercido por el reloj circadiano.

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El reloj circadiano, un mecanismo interno que regula la expresión genética durante todo el ciclo día-noche. Este reloj, incluso en condiciones de luz constante, puede reprimir la expresión genética durante su fase «nocturna» simulada. Esto limita significativamente el potencial de una bioproducción continua.

Al modificar genéticamente las cianobacterias para evitar los represores del reloj interno e incluso desactivar el mecanismo del reloj central, los científicos han logrado un aumento espectacular en la expresión de bioproductos. Básicamente, esto «reprograma» las bacterias para que se concentren en producir las moléculas deseadas en niveles mucho más altos.

Hackeando el reloj para mejorar la producción

Los investigadores han ideado una estrategia novedosa: reprogramar la expresión genética mediante la manipulación de la maquinaria circadiana. Ellos emplearon:

  • Represión incapacitante: Los científicos identificaron una proteína llamada LabA que actúa como represor, amortiguando la actividad de RpaA, un actor clave en la expresión genética. Al modificar genéticamente las cianobacterias para evitar la represión de LabA, pueden mantener RpaA «activado» de manera más consistente.
  • Inactivación del reloj: El estudio también implicó la manipulación de los componentes centrales del reloj (KaiA, KaiB y KaiC) mediante la sobreexpresión de KaiA. Esto esencialmente «abruma» el reloj, impidiéndole entrar en su fase represiva.

Al apuntar a los elementos represores y al mecanismo del reloj central, han «desbloqueado» con éxito la producción de moléculas valiosas:

  • Enzimas biomédicamente relevantes: Estas moléculas se pueden utilizar en diversas aplicaciones, desde el desarrollo de fármacos hasta la biorremediación.
  • Polipéptidos bioactivos: Estas cadenas de aminoácidos tienen un inmenso potencial en el campo médico.
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«En lugar de centrarnos simplemente en las formas tradicionales de impulsar una expresión genética más fuerte del producto deseado, razonamos que el reloj biológico diario que modula la expresión genética podría manipularse para que se pudieran producir más cosas las 24 horas del día, los 7 días de la semana», dijo Johnson. «Al inactivar el reloj biológico interno de las cianobacterias y su represión de la expresión genética, ahora podríamos lograr una gran regulación positiva de los bioproductos verdes, incluida la insulina medicinal».

El futuro de la biofabricación ecológica

Este trabajo centrado en las cianobacterias es especialmente importante porque es fácil y rentable cultivarlas, utilizando la luz solar como fuente de energía y prosperando en ambientes pobres en nutrientes. Los hallazgos podrían permitir que la biotecnología verde avance a un ritmo acelerado.

El objetivo de la biotecnología verde es desarrollar organismos fotosintéticos genéticamente alterados para que sirvan como “biorreactores” que produzcan combustibles renovables, productos farmacéuticos y precursores químicos con un impacto ambiental mínimo.

Al aprovechar el poder de la luz solar y las capacidades naturales de las cianobacterias, los científicos están dando un paso significativo hacia una producción más sostenible y eficiente de productos valiosos.

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El estudio fue apoyado por subvenciones del National Institute of General Medicine Sciences, el Department of Energy, y el National Institutes of Health.

Contacto
Carl Hirschie Johnson
Department of Biological Sciences, Vanderbilt University
Nashville, TN 37235
Email: carl.h.johnson@vanderbilt.edu

Referencia (acceso abierto)
Yao Xu, Maria Luísa Jabbur, Tetsuya Mori, and Carl Hirschie Johnson. 2024. Clocking out and letting go to unleash green biotech applications in a photosynthetic host. PNAS, 121 (21) e2318690121 https://doi.org/10.1073/pnas.231869012