Ingeniería metabólica para la producción de isopropanol

Existen bacterias que utilizan el CO₂ y energía solar para producir compuestos orgánicos; también pueden producir otros compuestos en condiciones de oscuridad y sin oxígeno (anaerobias). El primer proceso descrito se refiere a condiciones fotosintéticas, mientras que el segundo proceso se define como fermentación.

Dichas bacterias pueden ser utilizadas para obtener sustancias de interés. Es el caso de la bacteria Synechococcus elongatus, cuyo metabolismo fue modificado para poder obtener un alcohol, el isopropanol.

El isopropanol puede usarse como suplemento para combustibles fósiles o como componente previo a la obtención de biodiesel. Además tiene otros usos como disolvente, antiséptico, desinfectante o líquido para frenos. 

Para la obtención de este alcohol, un grupo investigador consiguió que S. elongatus cultivada en condiciones fotosintéticas produjera isopropanol utilizando acetato. Para lograrlo, se introdujeron en la bacteria enzimas con el objetivo de crear una ruta metabólica sintética cuyo último paso sería la transformación de acetona en isopropanol. Por tanto, esta bacteria modificada podría producir isopropanol mediante la ruta sintética en condiciones aerobias, pero necesitaba acetato para ello. El acetato era producido por S. elongatus  mediante fermentación, por tanto, era necesario un cambio en las condiciones de crecimiento (a oscuridad y anaerobiosis) durante la producción de isopropanol; o bien una adición externa del acetato al medio de cultivo. Ambos procesos resultaban caros y laboriosos.

Por este motivo, el mismo grupo investigador se propuso mejorar y facilitar la producción de isopropanol a partir de la misma bacteria, de forma que no fuera necesario el cambio a condiciones de anaerobias, y sin necesidad de añadir acetato extrínsecamente.

           Los investigadores añadieron a la ruta sintética un gen llamado pta  (proveniente de Escherichia coli) para que S.elongatus fuese capaz de producir acetato en condiciones aerobias. El pta codifica una enzima tolerante al oxígeno: la fosfato acetiltransferasa, que convierte acetil-CoA en acetil-fosfato. El acetil-fosfato puede dar lugar a acetato con ayuda de energía. El acetato es el encargado de recoger el CoA que suelta el acetoacetil-CoA para transformarse en ácido acetoacético. Así, la ruta puede continuar hasta producir isopropanol en condiciones fotosintéticas. 

          En la imagen inferior vemos la ruta completa, con las enzimas que catalizan cada paso de la reacción, el gen pta y como finalmente podemos obtener nuestro alcohol de interés.

            Finalmente, se pudo concluir que gracias a la acción conjunta de la ruta que se había creado y al gen pta, se obtienen concentraciones elevadas de acetona e isopropanol. Mas concretamente, los valores de concentración obtenidos fueron de 0,55 mM  y 0,21 mM para el isopropanol y la acetona respectivamente.

  ⬛ [Acetona]max = 0,21 mM

  ⚫ [Isopropanol]max= 0,55 mM







           De esta manera se podría mejorar la producción de isopropanol, mejorando la eficiencia del proceso, lo cual conllevaría un ahorro significativo de tiempo y dinero.

Título original del trabajo: Metabolic engineering for isopropanol production by an engineered  cyanobacterium, Synechococcus elongatus PCC 7942, under photosynthetic conditions.

Autores: Yasutaka Hirokawa, Yudai Dempo, Eiichiro Fukusaki, and Taizo Hanai.

Publicación:  
Journal of Bioscience and Bioengineering
Volume 123, Issue 1, January 2017

Entrada realizada por:

Alberto Mancebo Botía

Belén Álvarez Crespo

Sonia Marhuenda Castillo 

Nuria Manzano Jurado

María Antón Gil

Marina López Lorigados