Expanding the flavonoid production in Acinetobacter baylyi ADP1 from lignin-derived aromatics

Las plantas son maestras de la química, elaborando constantemente moléculas complejas que las protegen del sol, combaten infecciones y les otorgan sus colores. Entre estas creaciones químicas se encuentran los flavonoides, una familia diversa de compuestos que se encuentran en frutas, verduras y flores. Los seres humanos han valorado estos elementos durante mucho tiempo por sus potenciales beneficios para la salud, utilizándolos en alimentos, medicinas y cosméticos. Durante décadas, las principales formas de obtener flavonoides han sido extraerlos de las plantas o construirlos desde cero en un laboratorio. Ambos métodos presentan desventajas significativas: extraerlos de los cultivos suele ser ineficiente y está limitado por las estaciones, mientras que la síntesis química puede ser costosa y ambientalmente gravosa.

En años recientes, los científicos han recurrido a microbios, que son diminutas fábricas vivas, para producir estos compuestos. Al insertar genes de plantas en bacterias o levaduras, los investigadores pueden programar estas células para fabricar flavonoides específicos. Sin embargo, la mayoría de estas fábricas microbianas se alimentan de azúcares simples, como la glucosa. Para convertir el azúcar en un flavonoide, el microbio debe primero construir una estructura de anillo aromático compleja desde cero, un proceso que requiere muchos pasos genéticos y consume mucha energía de la célula. Esto hace que el proceso sea largo y difícil de controlar. Un enfoque más directo sería alimentar a los microbios con los bloques de construcción aromáticos que necesitan, evitando la fase inicial de construcción. La naturaleza proporciona estos bloques en abundancia dentro de la lignina, un polímero leñoso y resistente que otorga rigidez a los árboles. Cuando la madera se descompone, libera una mezcla de compuestos aromáticos que son químicamente muy similares a los precursores que las plantas utilizan para fabricar flavonoides. El desafío ha sido encontrar un microbio que no solo pueda consumir estos compuestos aromáticos resistentes, sino también tolerar las duras condiciones de la descomposición de la madera, todo ello siendo fácil de manipular genéticamente para la producción.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Tampere en Finlandia ha abordado con éxito este desafío recurriendo a una bacteria llamada Acinetobacter baylyi ADP1. A diferencia de las bacterias comunes de laboratorio utilizadas a menudo en estos estudios, este organismo posee naturalmente la maquinaria para consumir una amplia variedad de compuestos aromáticos presentes en la madera. Los investigadores se propusieron ver si podían aprovechar esta capacidad natural para convertir materiales derivados de la lignina directamente en valiosos flavonoides. Su objetivo era crear una plataforma microbiana única que pudiera producir diferentes tipos de flavonoides simplemente cambiando el tipo de alimento derivado de la madera proporcionado, sin necesidad de reconfigurar el código genético de la bacteria para cada nuevo producto.

El equipo comenzó probando si podían lograr que la bacteria produjera homoeriodictiol, un flavonoide específico utilizado frecuentemente en la alimentación y la medicina. Esta molécula se fabrica típicamente a partir de un precursor llamado ferulato. Los investigadores intentaron primero retocar las enzimas existentes de la bacteria para que aceptaran el ferulato, con la esperanza de realizar un pequeño ajuste genético que permitiera a la célula procesar este nuevo ingrediente. Alteraron partes específicas de la enzima responsable de construir la estructura del flavonoide, pero estos cambios no funcionaron; la bacteria no pudo producir la molécula deseada. Al darse cuenta de que los ajustes menores eran insuficientes, los investigadores cambiaron su estrategia. En lugar de modificar la enzima existente, buscaron una versión diferente de la enzima de una especie vegetal distinta que fuera naturalmente capaz de manejar el ferulato. Encontraron una coincidencia en una planta llamada Stenoloma chusanum. Cuando intercambiaron la enzima bacteriana original por esta nueva enzima vegetal, la bacteria comenzó a producir inmediatamente homoeriodictiol. Este descubrimiento resaltó un principio clave: a veces la solución más efectiva no es forzar una herramienta existente a realizar un nuevo trabajo, sino encontrar una herramienta que ya haya sido diseñada para ello.

Con esta nueva combinación de enzimas en su lugar, los investigadores optimizaron las condiciones de cultivo para maximizar la producción. Descubrieron que la bacteria funcionaba mejor cuando se le alimentaba con una cantidad moderada del precursor y se cultivaba a una temperatura específica. Bajo estas condiciones, la bacteria produjo 3.7 miligramos por litro de homoeriodictiol en un matraz. Pero el equipo no se detuvo ahí. Querían ver si este mismo sistema podía producir otros flavonoides. Introdujeron un compuesto aromático diferente, el cafeato, en el cultivo. Sorprendentemente, la misma cepa de bacteria, con la misma configuración genética, cambió de marcha y comenzó a producir un flavonoide diferente llamado eriodictiol. En este caso, la bacteria produjo 24.2 miligramos por litro, una cantidad significativamente mayor que la anterior. Esto demostró que la producción de la bacteria estaba dictada enteramente por el alimento que se le suministraba. Si se le alimentaba con ferulato, producía un producto; si se le alimentaba con cafeato, producía otro.

Para probar el sistema bajo condiciones más realistas, los investigadores trasladaron la bacteria a un biorreactor, un recipiente más grande utilizado para la fermentación a escala industrial. Alimentaron a la bacteria con una mezcla de tres compuestos aromáticos distintos presentes en la madera: ferulato, cafeato y p-cumarato. La bacteria convirtió con éxito esta "sopa mixta" en un cóctel de tres flavonoides simultáneamente. Aunque la cantidad total de producto fue menor que cuando se alimentaba con un solo ingrediente, probablemente debido a que las diferentes vías competían por los recursos, el resultado demostró que el sistema podía manejar mezclas complejas. Esto es un paso crucial, ya que los desechos de madera del mundo real nunca son un único producto químico puro, sino una mezcla compleja.

Finalmente, el equipo probó el sistema con subproductos industriales reales. Tomaron paja de trigo y un tipo de madera procesada llamada lignina organosolv, los trataron con un proceso químico para descomponerlos y recolectaron el líquido resultante. Este líquido, conocido como licor de pretratamiento alcalino, contiene una mezcla natural de compuestos aromáticos pero también muchas otras impurezas que pueden ser tóxicas para la mayoría de las bacterias. Los investigadores añadieron este líquido complejo a sus cultivos bacterianos. A pesar del entorno desordenado y desafiante, las bacterias prosperaron y produjeron flavonoides. Convirtieron con éxito los compuestos presentes en los licores de paja de trigo y lignina en las moléculas objetivo, demostrando que el sistema funciona no solo con productos químicos puros en un laboratorio, sino con los flujos de desechos reales generados por las industrias forestal y agrícola.

El estudio concluye que Acinetobacter baylyi ADP1 es una plataforma altamente versátil para la fabricación sostenible. Al aprovechar la capacidad natural de la bacteria para consumir compuestos aromáticos, los investigadores evitaron la necesidad de que las bacterias construyan estas estructuras desde cero. Este enfoque permite un sistema de producción flexible donde el producto final está determinado por la materia prima. Si una fábrica tiene un excedente de un tipo de compuesto derivado de la madera, las bacterias pueden ser alimentadas con esto para fabricar un flavonoide específico; si el suministro cambia, la misma bacteria puede ser alimentada con un químico diferente para fabricar un producto distinto, todo ello sin necesidad de ingeniería genética adicional. Este trabajo establece un vínculo directo entre la valorización de la lignina, un material que a menudo se quema para obtener combustible, y la producción de productos naturales de alto valor, ofreciendo un camino prometedor hacia una bioeconomía más circular y eficiente.