Glucose-xylose co-utilization and lactate production with engineered thermophilic Parageobacillus thermoglucosidasius
Este estudio demuestra que la combinación de la ingeniería inversa de los genes *ptsG* y *rbsR* con la sobreexpresión racional de los operones del metabolismo de la xilosa en la bacteria termófila *Parageobacillus thermoglucosidasius* supera eficazmente la represión por catabolito de carbono, permitiendo la co-utilización eficiente de glucosa y xilosa y mejorando significativamente los rendimientos de lactato en fermentaciones en biorreactores.
Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Esta es una explicación generada por IA de un preprint que no ha sido revisado por pares. No es consejo médico. No tome decisiones de salud basándose en este contenido. Leer descargo de responsabilidad completo
Imagina un mundo donde el combustible para nuestras fábricas no provenga de cultivos alimenticios como el maíz o la caña de azúcar, sino de los desechos fibrosos y resistentes de las plantas: los tallos del trigo, las cáscaras del arroz y las astillas de madera sobrantes de la tala. Este material, conocido como lignocelulosa, es abundante y no compite con nuestro suministro de alimentos, lo que lo convierte en un recurso ideal para la creación de plásticos y productos químicos sostenibles. Sin embargo, convertir esta dura materia vegetal en productos útiles es difícil. Cuando los científicos descomponen estas fibras, liberan una mezcla de dos azúcares principales: glucosa y xilosa. Mientras que muchos microbios pueden comer glucosa fácilmente, a menudo ignoran la xilosa, esperando hasta que la glucosa se haya agotado antes de siquiera empezar con el segundo azúcar. Este juego de espera ralentiza la producción y desperdicia tiempo. Para resolver esto, los investigadores buscan microbios que puedan comer ambos azúcares al mismo tiempo, especialmente aquellos que prosperan en entornos calurosos, donde la descomposición de las fibras vegetales ocurre de la manera más eficiente.
Un equipo de investigadores se propuso diseñar una bacteria amante del calor llamada Parageobacillus thermoglucosidasius para superar esta preferencia alimentaria. Este microbio ya es un fuerte candidato para el uso industrial porque crece mejor a temperaturas entre 60 y 65 grados Celsius, lo cual coincide con el calor necesario para descomponer las fibras vegetales. Los científicos querían reconfigurar sus instrucciones internas para que consumiera glucosa y xilosa juntas, en lugar de una tras otra. Comenzaron buscando en un experimento previo donde las bacterias habían evolucionado naturalmente para comer ambos azúcares cuando se les forzaba a ello. Al estudiar los cambios genéticos en esas bacterias evolucionadas, el equipo identificó dos mutaciones específicas que parecían ser responsables de este nuevo comportamiento. Una mutación alteró una proteína que ayuda a la célula a captar la glucosa, y la otra eliminó un "freno" genético que normalmente impide que la célula fabrique transportadores para otros azúcares.
Los investigadores construyeron estos mismos cambios en una versión estándar de la bacteria para ver si podían recrear el comportamiento mejorado. Crearon tres nuevas cepas: una con la proteína de captura de glucosa alterada, una con el freno eliminado y otra con ambos cambios combinados. También probaron un enfoque diferente, forzando a las bacterias a producir constantemente la maquinaria necesaria para comer xilosa, independientemente de la presencia de otros azúcares. Cuando probaron estas nuevas cepas en entornos controlados, los resultados mostraron que los cambios genéticos funcionaban, pero de diferentes maneras. La cepa con la proteína de glucosa alterada comía ambos azúcares a una velocidad similar. La cepa con el freno eliminado también comía ambos azúcares juntos, aunque crecía más lentamente en general. La cepa con ambos cambios combinados se comportó de forma sorprendente, prefiriendo en realidad la xilosa sobre la glucosa, un giro completo del orden normal.
Para entender por qué ocurrieron estos cambios, el equipo miró dentro de las células para ver qué proteínas se estaban produciendo. Descubrieron que las mutaciones causaron que las bacterias dejaran de suprimir los genes para comer xilosa, permitiendo que la célula produjera las herramientas necesarias para consumirla incluso mientras la glucosa estaba presente. La cepa con el freno eliminado mostró una caída significativa en las proteínas responsables de captar la glucosa, lo que probablemente ralentizó el consumo de este azúcar para permitir que la xilosa fuera consumida al mismo tiempo. Los investigadores también probaron qué tan bien producían estas bacterias ácido láctico, un químico utilizado para fabricar plásticos biodegradables, a partir de una mezcla de los dos azúcares. Las cepas diseñadas funcionaron mejor que las bacterias originales y no modificadas. La cepa con el freno eliminado produjo la mayor cantidad de ácido láctico en relación con el azúcar consumido, alcanzando un rendimiento del 72.76 por ciento, en comparación con el 56.76 por ciento de la cepa original. Otra cepa que fue forzada a producir constantemente la maquinaria para comer xilosa también mostró resultados sólidos, produciendo un rendimiento del 63 por ciento.
El estudio sugiere que, si bien el simple hecho de forzar a las bacterias a producir más herramientas para comer xilosa ayudó, la forma más efectiva de lograr que comieran ambos azúcares juntos fue cambiar cómo detectan y consumen la glucosa. Al ralentizar la ingesta del azúcar preferido, las bacterias pudieron acceder al segundo azúcar mucho antes. Este enfoque permitió al equipo crear una fábrica microbiana que trabaja de manera más eficiente con los desechos vegetales. Los hallazgos indican que, mediante la realización de cambios pequeños y específicos en el código genético de las bacterias, es posible desbloquear todo el potencial de las materias primas basadas en plantas, convirtiendo una mezcla compleja de azúcares en productos valiosos sin los largos retrasos causados por los hábitos alimenticios naturales de las bacterias. El trabajo proporciona un camino claro para mejorar cómo utilizamos los recursos renovables para construir los materiales del futuro.
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