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

Nas profundezas do mundo microscópico dos fungos unicelulares, a natureza construiu fábricas intrincadas capazes de montar moléculas complexas a partir de ingredientes simples como o açúcar. Entre essas moléculas estão os ácidos graxos, os blocos de construção de óleos e gorduras que desempenham papos vitais tanto na saúde humana quanto no mundo natural. Alguns desses ácidos graxos, conhecidos como gorduras poli-insaturadas, são particularmente valiosos porque o corpo humano não consegue produzi-los por conta própria; devemos obtê-los através da nossa dieta. Uma dessas moléculas, uma cadeia de vinte e dois carbonos chamada ácido cis-13,16-docosadienoico, capturou recentemente a atenção de cientistas. Pesquisas sugerem que este ácido graxo específico possui propriedades poderosas, incluindo a capacidade de retardar o crescimento de certas células cancerígenas e combater a inflamação. Até agora, obter esta substância era uma tarefa difícil. Ela ocorre naturalmente apenas nas sementes de uma rara planta de inverno, que cresce lentamente e é difícil de cultivar em grandes quantidades. Métodos químicos para criá-la em laboratório são igualmente desafiadores, envolvendo etapas complicadas e altos custos. Isso deixou pesquisadores em busca de uma maneira melhor de produzi-la, voltando seus olhos para a levedura Yarrowia lipolytica, um microrganismo robusto conhecido por sua capacidade de acumular óleos.

O desafio reside em convencer esta levedura a fabricar uma molécula que ela não produz naturalmente. A levedura já é bastante boa em produzir um precursor chamado ácido linoleico, mas carece das ferramentas específicas para esticar esse precursor na cadeia mais longa e complexa necessária para o produto final. Para resolver isso, uma equipe de pesquisadores da Universidade Agrícola de Hunan e outras instituições tratou a levedura como uma oficina biológica, adicionando e ajustando sistematicamente as ferramentas genéticas necessárias para concluir o trabalho. Eles começaram garantindo que a oficina tivesse um suprimento abundante de matéria-prima. Ao introduzir genes de outros organismos que atuam como conversores especializados, eles conseguiram aumentar a quantidade de ácido linoleico dentro das células da levedura. Esta etapa foi crucial, pois a falta de matéria-prima frequentemente cria um gargalo em toda a linha de produção.

Com o suprimento de matéria-prima garantido, a equipe voltou sua atenção para a linha de montagem propriamente dita. Converter o precursor no produto final requer um processo de alongamento de duas etapas. Os pesquisadores testaram diferentes versões das enzimas responsáveis por esse alongamento, de forma muito semelhante a testar diferentes ferramentas para ver qual se ajusta melhor ao trabalho. Eles descobriram que uma combinação específica de enzimas funcionava significamente melhor do que outras, estendendo com sucesso a cadeia do ácido graxo. No entanto, o processo ainda não era eficiente o suficiente. A levedura estava produzindo a etapa intermediária da cadeia, mas tinha dificuldade em concluir o trabalho. Para corrigir isso, os cientistas tentaram uma técnica chamada fusão de enzimas, onde ligaram fisicamente duas das enzimas necessárias, esperando que isso tornasse a transferência de materiais entre elas mais suave. Surpreendentemente, essa abordagem não funcionou como esperado. As enzimas ligadas pareciam atrapalhar umas às outras, e a produção do produto final não melhorou. Este resultado ensinou à equipe que simplesmente colar ferramentas juntas nem sempre as faz funcionar melhor; às vezes, o arranjo importa mais do que a conexão.

Sem desanimar, os pesquisadores mudaram sua estratégia para focar no poder das instruções que comandam essas enzimas. Eles aumentaram o número de cópias dos genes responsáveis pelo processo de alongamento e testaram diferentes interruptores genéticos, conhecidos como promotores, para controlar a força com que esses genes eram ativados. Em uma descoberta contraintuitiva, descobriram que um interruptor mais fraco produzia melhores resultados do que um mais forte. Isso sugere que, no ambiente complexo de uma célula viva, o excesso de atividade em uma área pode, às vezes, interromper o equilíbrio de todo o sistema. Ao ajustar cuidadosamente a expressão dos genes, eles criaram uma linhagem de levedura que podia converter o precursor no ácido graxo desejado de forma muito mais eficaz do que antes.

A equipe também explorou um ângulo diferente: impedir que a levedura degradasse o que havia fabricado. Eles removeram um gene responsável por um processo de limpeza celular que naturalmente degrada ácidos graxos, esperando que isso permitisse o acúmulo do valioso produto. Embora essa mudança tenha feito a levedura armazenar mais óleo no geral, teve um efeito colateral desastroso: o ácido graxo específico que tentavam produzir desapareceu inteiramente. A interrupção do sistema de limpeza pareceu confundir o metabolismo da célula de forma tão severa que ela não conseguiu mais sintetizar a molécula alvo. Isso descartou essa estratégia específica, destacando o equilíbrio delicado necessário para a engenharia de organismos vivos.

Através deste processo de tentativa, erro e refinamento, os pesquisadores conseguiram projetar uma linhagem de levedura que produziu a maior quantidade deste valioso ácido graxo já registrada em um ambiente de laboratório sem o uso de equipamentos de fermentação industrial complexos. Em culturas simples de frasco de agitação, a levedura modificada atingiu uma concentração de 5,34 miligramas por litro, com a molécula alvo representando 0,47 por cento do total de gordura nas células. Esta conquista demonstra que, ao compreender e ajustar sistematicamente as vias metabólicas de um microrganismo, os cientistas podem induzi-lo a produzir substâncias complexas e de alto valor que anteriormente eram difíceis de obter. O trabalho estabelece uma base para esforços futuros de escala de produção, oferecendo potencialmente uma fonte sustentável e acessível de uma molécula com grande promessa para a medicina e a nutrição.