Cápsula biotecnológica: ingeniería de arqueas

[…]en comparación con los organismos típicamente empleados, [los organimos hipertermófilos] pueden crecer a temperaturas que “reducen el riesgo de contaminación, tienen tasas de difusión más altas y costos de enfriamiento y destilación más bajos”.

El mantenimiento de la temperatura en los bioprocesos para producción de alcoholes (biocombustibles) es costoso, pero así como en el caso de las polimerasas para PCR, el uso de microorganismos hipertermófilos promete ser una solución, aunque existe una limitante importante: la manipulación genética de este tipo de organismos no es sencilla.

Uno de los grupos que actualmente trabajan para “domar” genéticamente a este tipo de microorganismos, específicamente a Pyrococcus furiosus, es el grupo del Prof. Michael Adams de la Universidad de Georgia.

Entre los avances del grupo se encuentran un switch de shock frío para P. furiosus que es activado a 72°C (Basen, Sun y Adams, 2012) y que recientemente utilizaron para un proyecto todavía más ambicioso: producir etanol y otros alcoholes usando monóxido de carbono como fuente de agentes reductores.

En un reporte de diciembre de 2014 en el PNAS, el Dr. Basen (miembro del grupo del Prof. Adams) y sus colaboradores describen cómo lograron insertar en P. furiosus una enzima alcohol deshidrogenasa (AdhA) procedente de Thermoanaerobacter cepa X514. Los investigadores reportan que con esta cepa obtuvieron etanol a una concentración mayor que 20 mM en cuatro días usando celobiosa como fuente de carbono; además, demostraron que usando los ácidos orgánicos correspondientes, su cepa de P. furiosus (que nombraron cepa A) produce propanol, isobutanol, 1-pentanol, isoamylalcohol, 1-hexanol y feniletanol, probablemente a través de la actividad de la enzima aldehído ferredoxina oxidorreductasa (AOR).

Para que esta cepa pudiera utilizar al monóxido de carbono como fuente de agentes reductores, los investigadores insertaron un complejo CODH (deshidrogenasa de monóxido de carbono/hidrogenasa unida a la membrana) procedente de Thermococcus onnurineus en la cepa de P. furiosus que produce alcohol. Usando maltosa como fuente de carbono y en presencia de monóxido de carbono e isobutirato, la cepa A/Codh produjo 70 mM de isobutanol en poco más de tres días.

Los resultados presentados por el Dr. Basen y sus colaboradores son una muestra de la capacidad de los organismos hipertermófilos para ser aplicados en fermentaciones a nivel industrial, pues en comparación con los organismos típicamente empleados, pueden crecer a temperaturas que “reducen el riesgo de contaminación, tienen tasas de difusión más altas y costos de enfriamiento y destilación más bajos”. Los microorganismos como P. furiosus A/Codh podrían utilizar syngas (mezcla monóxido y dióxido de carbono e hidrógeno) para producir alcoholes.

En su estudio, el Dr. Basen y sus colaboradores obtuvieron además nuevos datos sobre la ruta biosintética de acetaldehído en P. furiosus y las implicaciones que esta ruta podría tener en la historia evolutiva de estos organismos. Sus resultados indican que el acetaldehído que se necesita para la formación de etanol es producido a través de la reducción de acetato por la AOR y no a partir de piruvato. Se hipotetiza que la AOR normalmente se deshace de los aldehídos tóxicos y además su reacción inversa ha sido observada in vitro. Dado a que la AOR utiliza diferentes sustratos, probablemente está involucrada en la reducción de ácidos orgánicos a su aldehído correspondiente. Esta ruta que involucra a la AOR pudo haber estado involucrada en los procesos metabólicos que utilizaban al monóxido de carbono y los ácidos orgánicos que eran abundantes en las ventilas hidrotermales de la tierra temprana.

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