Enhanced production of cis-13,16-docosadienoic acid in Yarrowia lipolytica via systematic metabolic engineering

En lo profundo del mundo microscópico de los hongos unicelulares, la naturaleza ha construido fábricas intrincadas capaces de ensamblar moléculas complejas a partir de ingredientes simples como el azúcar. Entre estas moléculas se encuentran los ácidos grasos, los componentes básicos de los aceites y las grasas que desempeñan papeles vitales tanto en la salud humana como en el mundo natural. Algunos de estos ácidos grasos, conocidos como grasas poliinsaturadas, son particularmente valiosos porque el cuerpo humano no puede producirlos por sí mismo; debemos obtenerlos de nuestra dieta. Una de estas moléculas, una cadena de veintidós carbonos llamada ácido cis-13,16-docosadienoico, ha captado recientemente la atención de los científicos. Las investigaciones sugieren que este ácido graso específico posee propiedades poderosas, incluyendo la capacidad de ralentizar el crecimiento de ciertas células cancerosas y combatir la inflamación. Hasta ahora, obtener esta sustancia ha sido una tarea difícil. Ocurre naturalmente solo en las semillas de una rara planta de invierno, que crece lentamente y es difícil de cultivar en grandes cantidades. Los métodos químicos para crearla en un laboratorio son igualmente desafiantes, involucrando pasos complicados y altos costos. Esto ha dejado a los investigadores buscando una mejor manera de producirla, dirigiendo sus ojos hacia la levadura Yarrowia lipolytica, un microorganismo robusto conocido por su capacidad para acumular aceites.

El desafío radica en convencer a esta levadura de fabricar una molécula que no produce naturalmente. La levadura ya es bastante buena fabricando un precursor llamado ácido linoleico, pero carece de las herramientas específicas para estirar ese precursor en la cadena más larga y compleja requerida para el producto final. Para resolver esto, un equipo de investigadores de la Universidad Agrícola de Hunan y otras instituciones trató a la levadura como un taller biológico, añadiendo y ajustando sistemáticamente las herramientas genéticas necesarias para completar el trabajo. Comenzaron asegurándose de que el taller tuviera un suministro abundante de la materia prima. Al introducir genes de otros organismos que actúan como convertidores especializados, lograron aumentar con éxito la cantidad de ácido linoleico dentro de las células de la levadura. Este paso fue crucial, ya que la falta de materia prima suele crear un cuello de botella en toda la línea de producción.

Con el suministro de materia prima asegurado, el equipo centró su atención en la línea de ensamblaje misma. Convertir el precursor en el producto final requiere un proceso de estiramiento de dos pasos. Los investigadores probaron diferentes versiones de las enzimas responsables de este estiramiento, de forma muy similar a probar diferentes herramientas para ver cuál se ajusta mejor al trabajo. Descubrieron que una combinación de enzimas específica funcionaba significamente mejor que otras, extendiendo con éxito la cadena del ácido graso. Sin embargo, el proceso aún no era lo suficientemente eficiente. La levadura estaba produciendo el paso intermedio de la cadena, pero tenía dificultades para terminar el trabajo. Para solucionar esto, los científicos probaron una técnica llamada fusión de enzimas, donde vincularon físicamente dos de las enzimas necesarias, con la esperanza de que esto hiciera que la transferencia de materiales entre ellas fuera más fluida. Sorprendentemente, este enfoque no funcionó como se esperaba. Las enzimas vinculadas parecían estorbarse entre sí, y la producción del producto final no mejoró. Este resultado enseñó al equipo que simplemente unir herramientas no siempre hace que funcionen mejor; a veces, la disposición importa más que la conexión.

Sin desanimarse, los investigadores cambiaron su estrategia para enfocarse en el poder de las instrucciones que impulsan estas enzimas. Aumentaron el número de copias de los genes responsables del proceso de estiramiento y probaron diferentes interruptores genéticos, conocidos como promotores, para controlar con qué fuerza se activaban estos genes. En un hallazgo contraintuitivo, descubrieron que un interruptor más débil producía mejores resultados que uno más fuerte. Esto sugiere que, en el complejo entorno de una célula viva, un exceso de actividad en un área puede a veces alterar el equilibrio de todo el sistema. Al ajustar cuidadosamente la expresión de los genes, crearon una cepa de levadura que podía convertir el precursor en el ácido graso deseado de manera mucho más efectiva que antes.

El equipo también exploró otro ángulo: evitar que la levadura descomponga lo que ha fabricado. Eliminaron un gen responsable de un proceso de limpieza celular que degrada naturalmente los ácidos grasos, con la esperanza de que esto permitiera la acumulación del valioso producto. Si bien este cambio causó que la levadura almacenara más aceite en general, tuvo un efecto secundario desastroso: el ácido graso específico que intentaban fabricar desapareció por completo. La interrupción del sistema de limpieza pareció confundir el metabolismo de la célula de tal manera que ya no podía sintetizar la molécula objetivo. Esto descartó esa estrategia en particular, resaltando el delicado equilibrio requerido para la ingeniería de organismos vivos.

A través de este proceso de ensayo, error y refinamiento, los investigadores lograron diseñar con éxito una cepa de levadura que produjo la mayor cantidad de este valioso ácido graso jamás registrada en un entorno de laboratorio sin utilizar equipos de fermentación industrial complejos. En cultivos simples de matraces de agitación, la levadura diseñada alcanzó una concentración de 5.34 miligramos por litro, con la molécula objetivo representando el 0.47 por ciento de la grasa total en las células. Este logro demuestra que, al comprender y ajustar sistemáticamente las vías metabólicas de un microorganismo, los científicos pueden persuadirlo para que produzca sustancias complejas y de alto valor que anteriormente eran difíciles de obtener. El trabajo sienta las bases para futuros esfuerzos de escalado de esta producción, ofreciendo potencialmente una fuente sostenible y accesible de una molécula con una promesa significativa para la medicina y la nutrición.