Biofabricación sin células para productos químicos más baratos y más limpios

Los biotecnólogos han modificado genéticamente bacterias y otros microbios para producir biocombustibles y productos químicos a partir de recursos renovables. Pero las vías metabólicas complejas en estos organismos vivos pueden ser difíciles de controlar y los productos deseados pueden ser venenosos para los microbios. ¿Y si pudieras eliminar la célula viva por completo?

Elaboración de bioquímica: Los investigadores de Greenlight Biosciences, Kamil Gedeon (sentados) y Stephanie DeMarino (de pie) monitorean un cultivo de bacterias diseñadas para producir enzimas para la síntesis química libre de células.

Greenlight Biosciences, una startup del área de Boston, diseña microbios para producir varias enzimas que pueden producir químicos y luego abre los insectos para recolectar esas enzimas. Los científicos no tienen que tomarse la molestia de aislar las enzimas del otro material celular; en cambio, agregan químicos para inhibir reacciones bioquímicas no deseadas. Al mezclar lechadas basadas en diferentes microbios con azúcares y otras materias primas a base de carbono, la empresa puede generar reacciones complejas para producir una variedad de productos químicos. Greenlight dice que su tecnología permite a la compañía fabricar versiones más baratas de los productos químicos existentes y ya ha producido un aditivo alimentario, productos farmacéuticos y pesticidas y herbicidas.

La mayor motivación para iniciar la empresa fue descubrir cómo producir dichos compuestos de una manera más respetuosa con el medio ambiente, dice el CEO. Andrey Zarur . Pero los productos de Greenlight también tienen que ser más baratos que los producidos por la fabricación basada en células o químicos, dice, o las industrias se mostrarán reacias a usarlos.

La estrategia de Greenlight se aparta de los procesos de fermentación clásicos que dependen de depósitos de microbios vivos. También es diferente a un enfoque diferente de la ingeniería genética, a menudo llamado biología sintética, que modifica las vías en los microbios para optimizarlos para fabricar compuestos deseables. Varias empresas están diseñando bacterias y levaduras para producir productos químicos especiales, pero en su mayor parte, estos grupos mantienen vivos a los insectos. Amyris, por ejemplo, puede fabricar biocombustibles, medicamentos y productos químicos utilizados en cosméticos y lubricantes mediante la ingeniería de microbios con nuevos conjuntos de enzimas que pueden modificar los azúcares y otros materiales de partida (ver Amyris anuncia la producción comercial de bioquímicos y los microbios pueden producir en masa medicamentos contra la malaria ). Metabolix ha diseñado bacterias para producir plástico biodegradable (ver A Bioplastic Goes Commercial).

Un problema con esa estrategia es que cuando las bacterias y otros microbios se convierten en fábricas químicas vivas, todavía tienen que dedicar algunos recursos al cultivo en lugar de la producción química, dice Mark Styczynski , ingeniero metabólico y biólogo de sistemas en el Instituto de Tecnología de Georgia. Además, incluso en una bacteria aparentemente simple, el metabolismo es complicado. Las vías metabólicas tienen una regulación compleja dentro de ellas y a través de ellas, dice. Cambiar una vía metabólica para mejorar la producción química puede tener consecuencias amplias y, a veces, negativas para el resto de la célula.

Por lo tanto, separar la vía de producción de las necesidades de la célula podría ser una gran ventaja, dice. Greenlight no evita completamente los microbios. En el soleado laboratorio de la compañía al norte de Boston, los investigadores utilizan biorreactores burbujeantes para cultivar bacterias en cultivo líquido, manteniendo diferentes especies y cepas que pueden producir una variedad de enzimas. Una vez que los insectos han alcanzado cierta densidad, los investigadores los envían a través de una extrusora de alta presión para romperlos en pedazos. Luego agregan medicamentos a la suspensión gris resultante para apagar la mayoría de las enzimas metabólicas de las células; las enzimas útiles no se ven afectadas porque han sido diseñadas para resistir las drogas.

La tecnología que mantiene en funcionamiento las vías metabólicas expuestas fue desarrollada por James Swartz , un ingeniero bioquímico de la Universidad de Stanford que dejó su puesto como ingeniero de proteínas en la empresa de biotecnología Genentech para desarrollar métodos libres de células para producir proteínas farmacológicas (la insulina es un ejemplo de una proteína similar a una droga que puede producirse mediante biotecnología). Buscando más control sobre la maquinaria biológica que produce proteínas, Swartz descubrió cómo darle a esa maquinaria el entorno bioquímico que necesitaba incluso fuera de su hogar normal en una célula. Sus métodos no solo le permitieron producir proteínas más complejas, sino que resultó que también podrían usarse para controlar la maquinaria biológica para producir pequeñas moléculas y productos químicos. Descubrimos que al reproducir las condiciones químicas que ocurren dentro de la célula, activamos muchos procesos metabólicos, incluso los que la gente pensaba que eran demasiado complicados, dice.

Greenlight puede solucionar problemas y modificar la producción metabólica de sustancias químicas de formas más parecidas a la ingeniería química que cualquier cosa que se encuentre en la ingeniería microbiana típica. Las lechadas libres de células están activas durante 96 horas antes de que las enzimas comiencen a descomponerse. En ese momento, se debe cultivar un nuevo lote de microbios.

Una de las bellezas de la célula es que se auto-replica, dice David Berry, un director de Flagship Ventures, quien cofundó las compañías de biocombustibles LS9 y Joule Unlimited. (Berry es un 2007 Revisión de tecnología del MIT Innovador menor de 35 años.) Pero aunque un sistema sin células pierde esa ventaja, existen otros beneficios, como una flexibilidad superior. Existe el potencial para trabajar con más insumos y trabajar en situaciones en las que ciertas vías actualmente no funcionan debido a las necesidades de la célula, dice Berry.

Zarur dice que Greenlight podría tener su primer producto en el mercado a principios del próximo año. Será un complemento alimenticio con beneficios para la salud, dice.

La compañía también recibió una subvención de $ 4.5 millones de ARPA-E para desarrollar un sistema para convertir el metano, el principal ingrediente del gas natural, en combustible líquido. La agencia dice que dicha tecnología podría permitir a los fermentadores móviles acceder a fuentes remotas de gas natural para la conversión de gas natural en combustible líquido a bajo costo.

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