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Cápsula biotecnológica: biorretrosintésis y fábricas microbianas

El análisis retrosintético es un método bien conocido por los químicos para planear sus estrategias de síntesis. El principio básico es empezar desde un compuesto objetivo -es decir, el compuesto químico que se desea sintetizar- y “desarmarlo” para encontrar posibles precursores; luego, se seleccionan las secuencias de reacciones que vengan mejor para producir el compuesto objetivo.

Actualmente los biólogos sintéticos también han estado considerando los principios del análisis retrosintético para encontrar rutas metabólicas que produzcan compuestos de interés, en un proceso que los investigadores de área conocen como “biología retrosintética”.

Metabolismo 2.0

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A) Mapa metabólico de E. coli, con los metabolitos endógenos representados con puntos azules; B) metabolismo extendido de E. coli con los metabolitos exógenos en puntos rosas. Imagen de: Pablo Carbonell, Anne-Gaëlle Planson, Davide Fichera and Jean-Loup Faulon, BMC Systems Biology 2011, 5:122

El proceso de biorretrosíntesis parte de un metabolito objetivo y se dan pasos atrás para encontrar posibles intermediarios y enzimas que puedan catalizar las reacciones necesarias. El proceso no es nada simple: tienen que explorarse una gran cantidad de intermediarios y rutas posibles.

El grupo de Jean-Loup Faulon en la Universidad de Evry se ha dedicado recientemente a encontrar soluciones para los retos que implica la biorretrosíntesis. Entre sus contribuciones más destacadas está la representación de mapas metabólicos como conjuntos de signaturas moleculares, en los que se encuentran codificados sustratos, productos y reacciones. La estrategia que sigue este grupo de trabajo consiste buscar a las enzimas heterólogas que pueden conectar a un conjunto de metabolitos fuente con el metabolito objetivo; luego, en ordenar a todas las rutas posibles de acuerdo a una función que toma en cuenta efectos inhibitorios, citotoxicidad y compatibilidad con el organismo chasis. Finalmente, luego de aplicar técnicas de ingeniería metabólica y varios ciclos de optimización y, dado el caso, de ingeniería de proteínas, los investigadores de este grupo están convencidos de que es posible extender el metabolismo de un organismo para abarcar nuevos metabolitos y reacciones.

La página del grupo de trabajo del Dr. Faulon ofrece la herramienta XTMS (Diseño de Rutas en un Espacio Metabólico Extendido, por sus siglas en Inglés) en la que luego de definir un input (metabolitos fuente), un output (metabolito objetivo) y un espacio metabólico (es decir, el conjunto de reacciones metabólicas que pueden encontrarse en otros organismos y que están almacenadas en bases de datos como MetaCyc, EcoCyc y KEGG), se pueden explorar las diferentes rutas  importables a E. coli que pueden conectar al input con el output.

De la computadora al medio de cultivo

Luego de haber diseñado una serie de rutas, el siguiente reto es llevarlo a la realidad en un sistema in vivo.

Una solución interesante a la implementación de nuevas rutas biosintéticas en un organismo es la retro-evolución: en lugar de iniciar con la primer reacción de la ruta, se inicia con la última. De esta manera, al añadir los metabolitos intermediarios necesarios al medio de cultivo, es posible optimizar cada reacción en la ruta por evolución dirigida y/o ingeniería de proteínas, midiendo la concentración del metabolito objetivo como parámetro de optimización. De acuerdo con un desplegado de prensa de la Universidad Vanderbilt, el Dr. Brian Bachmann se inspiró en las ideas de Norman Horowitz acerca del desarrollo de la vida primitiva para dar con el concepto de la retro-evolución.

El año pasado, el grupo de Brian Bachmann en la Universidad Vanderbilt publicó un reporte acerca de cómo pusieron a prueba el proceso de biorretrosíntesis y retro-evolución para la producción de didanosina (usado para el tratamiento del VIH) a partir de 2,3-dideoxiribosa-5-fosfato, un sustrato relativamente barato. Los investigadores reportan que lograron incrementar 50 veces la producción de didanosina en comparación a la cepa original.

Imagen proveniente de: William R Birmingham,Chrystal A Starbird, Timothy D Panosian, David P Nannemann, T M Iverson & Brian O Bachmann Nature Chemical Biology 10, 392–399 (2014)
Evolución en forward y retro-evolución. Imagen proveniente de: William R Birmingham, Chrystal A Starbird, Timothy D Panosian, David P Nannemann, T M Iverson & Brian O Bachmann
Nature Chemical Biology 10, 392–399 (2014)

La biorretrosíntesis de didanosina es el primer ejemplo exitoso de la aplicación del concepto. ¿Cuántos otros fármacos podrán producirse a partir de sustratos de bajo costo gracias a la biorretrosíntesis? Esperemos que sean muchos más.