La levadura alimentada por energía solar es una fábrica de medicamentos más eficiente

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Imagen de microscopía electrónica de barrido de S. cerevisiae levadura recubierta de nanopartículas semiconductoras INSTITUTO WYSS DE LA UNIVERSIDAD DE HARVARD

anopartículas de fosfuro de indio, un material semiconductor utilizado en células solares, instaladas en la superficie de Saccharomyces cerevisiae permite la levadura para utilizar la luz para alimentar las vías biosintéticas, según un informe publicado hoy (15 de noviembre) en Science . En experimentos de prueba de principios, los investigadores aumentaron la producción de ácido shikímico, un precursor importante para la síntesis de numerosos fármacos y productos químicos.

“Pudieron interconectar la captura de energía solar con el metabolismo de la célula y luego, a través de una ingeniería inteligente del metabolismo celular, producir una gran cantidad de. . . ácido shikímico” dice el bioquímico Paul King del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Colorado, quien no participó en la investigación. “Aquí hay mucho ingenio” agrega, “Atravesaron disciplinas. . . para crear algo que…

El progreso de la biotecnología ha permitido que los microbios, en particular, la bien caracterizada levadura de cerveza S. cerevisiaepara ser modificados genéticamente para producir una gama de fármacos y compuestos deseables de manera económica y eficiente, algunos de los cuales ya están en producción comercial.

Pero un cuello de botella común en tales vías biosintéticas, incluido el de La producción de ácido shikímico en la levadura modificada es la disponibilidad de un compuesto que ayuda en las reacciones anabólicas, es decir, la síntesis de moléculas más grandes a partir de componentes más pequeños. Se conoce con el nombre de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH). Como explica Neel Joshi, ingeniero químico y biológico de la Universidad de Harvard que dirigió la investigación, la molécula dona electrones a este tipo de reacciones biosintéticas en forma de iones hidruro.

Para encontrar otra fuente de electrones, el grupo de Joshis recurrió a la tecnología de células solares. Los materiales semiconductores utilizados en dichas células son muy eficientes en la producción de electrones cuando se exponen a la luz y, además, existen precedentes del uso de dichos materiales en actividades biológicas. Un informe de Peidong Yang de la Universidad de California, Berkeley, y sus colegas en 2016, por ejemplo, describió el uso de nanopartículas semiconductoras de sulfuro de cadmio para ayudar a suministrar a las bacterias energía adicional para la síntesis de ácido acético.

El equipo de Joshis optó por usar el fosfuro de indio semiconductor en lugar del sulfuro de cadmio porque es menos tóxico para las células, explica. Los investigadores recubrieron las nanopartículas con polifenoles que actúan como un pegamento pegajoso no específico, dice Joshito, que las adhieren a la superficie de S. cerevisiae células. La levadura misma había sido modificada genéticamente para producir un exceso de ácido shikímico, pero con la adición de nanopartículas y una fuente de luz blanca, el rendimiento se multiplicó por tres o cuatro. Tales ganancias no se observaron sin la luz o cuando las nanopartículas no se ensamblaron en las células, lo que indica que fueron las donaciones de electrones impulsadas por la luz las responsables del aumento de la producción.

Además del ácido shikímico, El sistema de Joshi y sus colegas podría usarse para una amplia gama de productos químicos producidos por levadura, dice King. En realidad, solo están impulsando la forma química de la energía solar, en forma de NADPH, por lo que no están vinculados a un resultado específico.

Tomemos, por ejemplo, la producción de bencilisoquinolina (la base estructural de muchos medicamentos, incluidos morfina y codeína) por levadura bioingeniería presente solo en la fase de investigación. Los pasos químicos requieren considerablemente más moléculas de NADPH que la producción de ácido shikímico, dice Joshi. Tales vías que consumen mucho NADPH podrían beneficiarse enormemente de este sistema de conversión de energía solar, dice.

Esta idea de aprovechar y combinar las vías de reacción en organismos completos con la capacidad excepcional de los nanomateriales semiconductores para recolectar energía solar es bastante poderoso, Yang, que no participó en la investigación, escribe en un correo electrónico a The Scientist. [Esto] cambiará fundamentalmente la forma en que pensamos sobre [la] industria química y farmacéutica, y los moverá hacia rutas de producción renovables.

J. Guo et al., Producción química fina impulsada por la luz en biohíbridos de levadura, Science, 362:813-16, 2018.

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