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Fábrica de células microbianas

Diagrama de flujo esquemático para la optimización de fábricas microbianas La fábrica de células microbianas es un enfoque de bioingeniería que considera las células microbianas...

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Diagrama de flujo esquemático para la optimización de fábricas microbianas

La fábrica de células microbianas es un enfoque de bioingeniería que considera las células microbianas como una instalación de producción en la que el proceso de optimización depende en gran medida de la ingeniería metabólica . [ 1 ] Las MCF son una derivación de las fábricas celulares, que son microbios y células vegetales modificadas genéticamente. [ 2 ] En las décadas de 1980 y 1990, las MCF se concibieron originalmente para mejorar la productividad de los sistemas celulares y los rendimientos de metabolitos a través de la ingeniería de cepas . [ 3 ] Una MCF desarrolla metabolitos nativos y no nativos a través del diseño de cepas dirigidas. [ 4 ] Además, las MCF pueden acortar el ciclo de síntesis al tiempo que reducen la dificultad de la separación del producto.

[ 5 ]

Historia

Antes de los MCF, los científicos empleaban técnicas de ingeniería tradicionales para producir diversos productos. Estas metodologías incluían la modificación de vías metabólicas , la eliminación de enzimas o el equilibrio del ATP para impulsar el flujo metabólico. [ 6 ] Sin embargo, cuando estos enfoques se aplicaban a la producción industrial, no podían soportar los entornos industriales, que presentaban toxinas y temperaturas fluctuantes. [ 6 ] En definitiva, las técnicas nunca lograron escalarse ni producir bioproductos similares a los obtenidos en el laboratorio. [ 7 ]

Así, los MCF se desarrollaron utilizando una vía de biosíntesis heterogénea en un huésped microbiano. [ 8 ] Como huésped, los MCF absorben diversos sustratos y los convierten en compuestos valiosos. [ 9 ] Estos productos pueden abarcar desde combustibles, productos químicos e ingredientes alimentarios hasta productos farmacéuticos. [ 10 ]

Estructura

Pared celular

En las células microbianas, las paredes celulares son Gram positivas o Gram negativas. Estos resultados se basan en la tinción de Gram . Las paredes celulares Gram positivas tienen una capa gruesa de peptidoglicano y carecen de membrana lipídica externa, mientras que las bacterias Gram negativas tienen una capa delgada de peptidoglicano y una membrana lipídica externa. [ 11 ] Si bien una pared celular Gram positiva gruesa es ventajosa, también facilita su ataque, ya que la capa de peptidoglicano absorbe antibióticos y productos de limpieza. Una pared celular Gram negativa es más resistente a estos ataques y más difícil de destruir.

Membrana

La membrana de las células microbianas es una bicapa compuesta de fosfolípidos . [ 12 ] Los fosfolípidos pueden presentar una longitud de cadena variable y ramificaciones. En última instancia, el fosfolípido determinará las propiedades de la membrana, como la fluidez y la carga, que regularán las interacciones con las proteínas cercanas. Además, la membrana supervisa el desarrollo de la morfología y el tamaño celular. [ 13 ] Escherichia coli se utiliza frecuentemente como referencia para diferenciar y definir la membrana de los MCF. [ 14 ]

Nucleoide

El nucleoide forma una región de forma irregular dentro de una célula procariota , que contiene todo o la mayor parte del material genético para la reproducción. [ 15 ] El nucleoide controla la actividad del MCF y la reproducción de sí mismo y de sus productos.

Novedades actuales

Los métodos actuales de programación de MCF utilizan ingeniería de cepas, que se basa en mutagénesis aleatoria. [ 16 ] Además, las técnicas convencionales son laboriosas, requieren mucho tiempo y son difíciles de analizar. [ 16 ] Esto ha llevado a muchos ensayos científicos a utilizar herramientas de edición genómica para mejorar los MCF, como ZFN , TALEN y CRISPR . Estos enfoques permiten la manipulación y el análisis genético, específicamente la creación de rupturas de doble cadena dentro de una secuencia genómica.

ZFNs

Las nucleasas de dedos de zinc (ZFN) fueron la primera herramienta de edición genómica capaz de dirigirse a cualquier sitio genómico. Al inducir una ruptura de doble cadena, las ZFN pueden facilitar la edición dirigida. Sin embargo, cuando se emplean para reforzar los MCF, las ZFN tienen una tasa de éxito inusualmente baja. En varios ensayos, las ZFN no pudieron obtener una matriz de tres dedos o el triplete no pudo ensamblarse en una nueva secuencia. [ 16 ] [ 17 ] Por lo tanto, la incorporación de ZFN en los MCF ha seguido siendo ardua y costosa.

TALENs

Las nucleasas efectoras tipo activador de transcripción (TALEN) funcionan de manera similar a las ZFN, pero se basan en proteínas de fusión. Las TALEN se han aplicado a numerosos MCF, como levadura y pez cebra. [ 18 ] Muchos avances han explorado fairyTALE, una plataforma de síntesis de TALEN en fase líquida, para crear nucleasas, activadores y represores para MCF. [ 19 ] Aunque las TALEN tienen menos obstáculos que las ZFN, siguen siendo problemáticas, ya que el ensamblaje de grandes cantidades de repeticiones en una matriz sigue siendo un problema importante. [ 20 ]

CRISPR

Las repeticiones palindrómicas agrupadas y espaciadas regularmente (CRISPR) y sus proteínas asociadas (Cas) se han convertido en una de las herramientas de edición genómica más populares debido a su eficiencia y bajo costo. El sistema CRISPR/Cas9 se ha utilizado para mejorar los MCF y producir levadura, bacterias y E. coli. [ 21 ] Al optimizar la levadura, se ha descubierto que la promoción de S. pyogenes mediante CRISPR/Cas9 es la estrategia más influyente. Para E. coli, los estudios han determinado que una estrategia que previene la inestabilidad genómica es el enfoque de ingeniería metabólica más robusto, independientemente de la metodología específica. [ 21 ]

Aplicación a gran escala

La ventaja más significativa de los MCF es la capacidad de ser utilizados en entornos industriales con limitaciones mínimas. Mediante la ingeniería metabólica, los MCF se basan en herramientas estratégicas innovadoras para el desarrollo y la optimización de redes metabólicas y de regulación génica para una producción eficiente. [ 22 ] Pasar del laboratorio al desarrollo a gran escala implica considerar tres factores: rendimiento del producto, productividad y título del producto. [ 22 ] Sin embargo, un dilema común es la compensación entre el rendimiento del producto y la productividad. Si una empresa maximiza la productividad, en última instancia reducirá su rendimiento del producto y viceversa.

Para combatir este problema, se han desarrollado estrategias para maximizar los tres factores. Una de las técnicas más comunes es el cultivo por lotes alimentados . El cultivo por lotes alimentados se define, en el sentido más amplio, como una técnica operativa en procesos biotecnológicos donde uno o más nutrientes (sustratos) se alimentan (suministran) al biorreactor durante el cultivo y en el que el/los producto(s) permanecen en el biorreactor hasta el final del ciclo. [ 23 ] Otro método es la estrategia de cultivo continuo. La premisa del cultivo continuo es mantener un metabolismo celular en estado estacionario durante largos períodos de tiempo. [ 24 ] Al contar con múltiples enfoques para el MCF, las empresas pueden personalizar cada proceso para sus productos específicos.

Comercialización

La comercialización de los combustibles minerales ha abarcado desde productos químicos hasta biocombustibles.

Referencias

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