Ingineria Metabolică la Drojdii

1. Introducere

Saccharomyces cerevisiae este cel mai intens studiat microorganism eucariot, care ajută la cunoaşterea biologiei celulei eucariote şi, implicit, a biologiei umane.

Vreme de câteva secole Saccharomyces cerevisiae a fost întrebuinţată în producerea de alimente şi băuturi alcoolice, iar azi acest microorganism este folosit în numeroase procese din cadrul industriei farmaceutice. Saccharomyces cerevisiae este un organism cu care se lucrează uşor, deoarece este nepatogen, şi datorită multitudinii de aplicaţii apărute de-a lungul timpului în obţinerea de produse consumabile, ca etanolul sau drojdia, a fost clasificat ca organism GRAS (generally regarded as seif = organism considerat sigur, netoxic). De asemenea, fermentaţia şi procesele tehnologice de producţie la scară largă cu Saccharomyces cerevisiae fac ca acest organism sa fie atractiv, la îndemână, pentru câteva scopuri biotehnologice, aşa cum va fi ilustrat în continuare.

Un alt motiv important pentru a justifica utilizarea microorganismului Saccharomyces cerevisiae în cadrul biotehnologiei îl reprezintă susceptibilităţile sale la modificările genetice prin tehnologia ADN recombinant, care a fost mai departe înlesnite de accesul la secvenţa genomică completă a Saccharomyces cerevisiae, publicată în 1996.

Îmbunătăţirea tulpinilor de drojdie de bere s-a bazat în mod tradiţional prin mutageneză la întâmplare şi pe încrucişările genetice a două tulpini, urmate de screening, în funcţie de calităţile de interes ale mutantelor. Dezvoltările recente ale unor metode sofisticate în domeniul tehnologiei ADN recombinant au permis să se manipuleze o anumită cale de interes şi de aici să se îmbunătăţească celula printr-o abordare mai directă. Totuşi, acum este posibil să se introducă anumite perturbări genetice în sensul de a modifica puterea de iniţiere a unei anumite gene, de a induce deleţii asupra genelor sau de a introduce gene întregi în celulă.

Îmbunătăţirile propietăţilor celulare obţinute prin combinarea analizelor teoretice bazate pe informaţiile de biochimie şi pe aplicaţiile ingineriei genetice, au fost oferite de ingineria metabolică. Această abordare constă în mare în două aspecte importante:

• partea analitică a ingineriei metabolice, care se ocupă cu studiul celulelor pentru identificarea tintelor cele mai potrivite şi

• ingineria genetică a celulelor care se ocupă de obţinerea unor celule cu modificările genetice dorite.

Un mod de a grupa diversele ţinte pentru ingineria metabolică ar cuprinde:

• extensia categoriei substratului;

• îmbunătăţiri ale productivităţii şi producţiei (profitului);

• îmbunătăţirea performanţei procesului biotehnologic;

• îmbunătăţirea propietăţilor celulare.

2. Noi concepte asupra ingineriei metabolice

După cum s-a menţionat şi în introducere, ingineria metabolică implică o abordare directă asupra aplicaţiei tehnologiei ADN recombinant pentru îmbunătăţirea tulpinilor, şi a fost definită ca îmbunătăţirea directă a formării produsului sau a propietăţilor celulare prin modificarea unor reacţii biochimice specifice sau introducerea altora noi cu folosirea tehnologiei ADN recombinant. În acestă definiţie termenul „reacţii biochimice” trebuie interpretat în sensul lui mai larg. Ceea ce distinge ingineria metabolică de aplicaţiile clasice de biologie moleculară este folosirea unei abordări directe. Aceasta presupune cunoştinţe bogate despre sistemul folosit şi, după cum a fost menţionat în introducere, ingineria metabolică conţine două părţi: partea analitică şi partea sintetică. Această situaţie este ilustrată în Figura 4. În anumite cazuri partea sintetică o precede pe cea analitică, dacă natura substratului are nevoie de o extindere prin expresia unei enzime heterogene, dar în toate cazurile este important ca părţile analitică şi sintetică să meargă mână în mână.

Acest lucru este foarte bine ilustrat prin încercările de a extinde natura substratului. Aici, în mod clar, primii paşi sunt de a introduce gene heteroloage care activează metabolismul substratului de interes, iar în acest scop este important să luăm în consideraţie două strategii diferite:

• introducerea unei gene ce codifică o proteină de legătură a membranei, care transportă un anumit substrat în celulă în combinaţie cu o genă ce codifică o proteină responsabilă pentru scindarea substratului;

• introducerea unei gene ce codifică o proteină secretată în mediul extracelular, unde substratul de interes este transformat sau scindat în substraturi care ar putea fi asimilate direct de organismul gazdă.

Figura 4. Aspecte variate ale ingineriei metabolice împărţite în partea analitică şi partea sintetică.

Indiferent de strategia aleasă, este important să se asigure că genele heterogene sunt exprimate suficient în noul sistem gazdă. Aceasta poate implica luarea în considerare a unor posibile modificări postranslaţionale, care pot diminua sau elimina activitatea enzimei de interes, iar aceasta necesită analize atente ale tulpinii recombinante. După obţinerea unui organism recombinant ce poate folosi un anumit substrat, deseori se obţin rate scăzute şi producţii în general mici ale produsului din substratul respectiv. Pentru a identifica problema cea mai importantă şi a direcţiona următorul pas sintetic este necesar să se detvolte o analiză detaliată a fiziologiei celulei. Aceasta poate fi ilustrată în mod clar în încercarea de a transforma xiloza la etanol prin fermentaţii anaerobe cu Saccharomyces cerevisiae. Astfel, ingineria metabolică aproape întotdeauna va implica o strânsă interacţiune între părţile analitică şi sintetică, de obicei fiind necesare mai multe tipuri de construcţii de tulpini, înainte de obţinerea unei tulpini recombinante optime.