Construyendo una mejor fábrica de productos químicos a partir de microbios

Sasha Israel

Los ingenieros metabólicos tienen un problema: las células son egoístas. Los científicos quieren usar microbios para producir compuestos químicos para aplicaciones industriales. Los microbios prefieren concentrarse en su propio crecimiento.

Kristala L. Jones Prather '94 ha ideado una herramienta que satisface ambos objetivos en conflicto. Su válvula de metabolitos actúa como un interruptor de tren: detecta cuándo un cultivo celular se ha reproducido lo suficiente como para sostenerse y luego redirige el flujo metabólico, el movimiento de las moléculas en una vía, por la vía que sintetiza el compuesto deseado. Los resultados: mayor rendimiento del producto y crecimiento celular suficiente para mantener el cultivo sano y productivo.

William E. Bentley, profesor de bioingeniería en la Universidad de Maryland, ha seguido el trabajo de Prather durante más de dos décadas. Él llama a las válvulas un nuevo principio en ingeniería que anticipa que será muy valorado en la comunidad de investigación. Su capacidad para eliminar cuellos de botella puede resultar tan esencial para aquellos que intentan sintetizar una molécula en particular en cantidades útiles que, en muchos casos, podría decidir si es un esfuerzo exitoso o no, dice Bentley.

Prather, profesor Arthur D. Little de ingeniería química del MIT, trabaja en los campos intersectados de la biología sintética y la ingeniería metabólica: un lugar donde la ciencia, en lugar del arte, imita la vida. Las válvulas juegan un papel importante en su objetivo más amplio de programar microbios, principalmente E. coli —para producir productos químicos que puedan utilizarse en una amplia gama de campos, incluidos la energía y la medicina. Lo hace observando lo que la naturaleza puede hacer. Luego plantea la hipótesis de lo que debería poder hacer con la ayuda del ADN insertado estratégicamente.

Estamos aumentando la capacidad sintética de los sistemas biológicos, dice Prather, quien entró en la lista TR35 de MIT Technology Review en 2007. Necesitamos ir más allá de lo que la biología puede hacer naturalmente y comenzar a hacer compuestos que normalmente no hace.

Prather describe su trabajo como la creación de un nuevo tipo de fábrica química dentro de las células microbianas, una que produce compuestos ultrapuros de manera eficiente a escala. Engatusar a los microbios para que produzcan los compuestos deseados es más seguro y más respetuoso con el medio ambiente que confiar en la síntesis química tradicional, que normalmente implica altas temperaturas, altas presiones e instrumentación complicada y, a menudo, subproductos tóxicos. Ella no originó la idea de convertir microbios en fábricas químicas, pero su laboratorio es conocido por desarrollar herramientas y perfeccionar procesos que lo hacen eficiente y práctico.

Ese es el enfoque que ha adoptado con el ácido glucárico, que tiene múltiples aplicaciones comerciales, algunas de ellas ecológicas. Las plantas de tratamiento de agua, por ejemplo, han dependido durante mucho tiempo de los fosfatos para evitar la corrosión en las tuberías y para unirse a metales como el plomo y el cobre para que no se filtren en el suministro de agua. Pero los fosfatos también alimentan la proliferación de algas en lagos y océanos. El ácido glucárico hace el mismo trabajo que los fosfatos sin alimentar esas floraciones tóxicas.

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Producir ácido glucárico de la manera habitual, a través de la oxidación química de la glucosa, es costoso, a menudo produce un producto que no es muy puro y genera una gran cantidad de desechos peligrosos. Las fábricas microbianas de Prather lo producen con altos niveles de pureza y sin subproductos tóxicos, a un costo razonable. Cofundó la startup Kalion en 2011 para poner en práctica su enfoque de fábrica microbiana. (Prather es la directora científica de Kalion. Su esposo, Darcy Prather '91, es su presidente).

La empresa, que está organizando una producción a gran escala en Eslovaquia, tiene varios clientes potenciales. Aunque la mayor parte de ellos se encuentran en los servicios petroleros, también resulta, en la forma maravillosa y extravagante en que funciona la química, que el mismo compuesto se usa en la fabricación farmacéutica, dice Prather. Se requiere, por ejemplo, en la producción del medicamento para el TDAH Adderall. Y se puede usar para fortalecer los textiles, lo que podría conducir a un reciclaje más efectivo del algodón y otros materiales naturales.

El primer objetivo de Kalion son los fosfatos, por sus aplicaciones comerciales inmediatas. Pero en su investigación más amplia, Prather también ha fijado una gran diana en el petróleo. Ansiosa por producir alternativas más ecológicas a la gasolina y los plásticos, ella y su grupo de investigación del MIT utilizan bacterias para sintetizar moléculas que normalmente se derivarían del petróleo. En general, si tenemos éxito, dice Prather, lo que estamos haciendo es mover las cosas una por una del estante para decir: 'Eso ya no está hecho de petróleo'. Eso ahora está hecho de biomasa”.

Del este de Texas al MIT

Nacido en Cincinnati, Prather creció en Longview, Texas, en un contexto de bombas y torres de perforación de yacimientos petrolíferos. Su padre murió antes de que ella cumpliera dos años. Su madre trabajó en Wylie College, una pequeña escuela históricamente negra, y obtuvo una licenciatura allí en 2004, agrega Prather rápidamente.

Prather, la primera estudiante de color con las mejores notas de su escuela secundaria, solo tenía ideas vagas sobre las oportunidades académicas y profesionales fuera de su estado. Con folletos universitarios inundando el buzón de la familia en su tercer año, buscó el consejo de un profesor de historia. Las matemáticas eran mi materia favorita en la escuela secundaria y disfrutaba de la química, dice Prather. El profesor le dijo que matemáticas más química era igual a ingeniería química, y que si quería ser ingeniera debería ir al MIT. ¿Qué es el MIT? preguntó Prather.

Otros en la comunidad no estaban mejor informados. Lo que entonces era el Instituto de Tecnología DeVry, una escuela con fines de lucro con una reputación académica menos que estelar y campus en todo el país, se publicitaba mucho en la televisión. Cuando le dijo a la gente que iría al MIT, asumieron que era una sucursal de DeVry en Massachusetts. Se sintieron decepcionados porque pensaron que iba a hacer grandes cosas, dice Prather. Pero aquí estaba yendo a esta escuela de oficios para ser asistente de plomero.

En junio de 1990, Prather llegó al campus para participar en Interphase, un programa ofrecido a través de la Oficina de Educación de las Minorías del MIT. Diseñado para facilitar la transición de los nuevos estudiantes, Interphase fue un cambio de juego, dice Prather. El programa la presentó a un grupo duradero de amigos y la familiarizó con el campus. Lo más importante, infundió confianza. Viniendo de una escuela sin clases AP, a Prather le preocupaba empezar por detrás de la curva. Cuando descubrió que conocía el material en su clase de matemáticas de Interfase, fue un alivio. Cuando estaba aburrida, pensaba: 'Pertenezco aquí', dice ella.

Como estudiante universitario, Prather estuvo expuesto a la ingeniería de bioprocesos, que utiliza células vivas para inducir cambios químicos o físicos deseados en un material. En ese momento, los científicos trataron las células a partir de las cuales se inicia el proceso como algo fijo. Prather se sintió intrigado por la idea de que no solo se podía diseñar el proceso, sino también la biología de la célula misma. La forma en que podías copiar, cortar y pegar el ADN atraía a la parte de mí a la que le gustaban las matemáticas, dice ella.

Prather decidió una estancia en

el mundo empresarial reduciría el riesgo de que su carrera académica quedara relegada a la irrelevancia en el mundo real.

Después de graduarse en 1994, Prather obtuvo su doctorado en la Universidad de California, Berkeley, donde su asesor fue Jay Keasling, profesor de ingeniería química y biomolecular que estaba a la vanguardia del nuevo campo de la biología sintética. En Berkeley, Prather buscó formas de mover el ADN dentro y fuera de las células para optimizar la creación de proteínas deseables.

La práctica en ese momento era aumentar las células con mucho ADN, lo que a su vez produciría mucha proteína, lo que generaría gran cantidad del compuesto químico deseado. Pero había un problema, que Prather, que vive cerca de un pintoresco parque estatal, explica con una analogía local. Puedo hacer una caminata ligera en la reserva de Blue Hills, dice, pero no si me pones una mochila de 50 libras en la espalda. De manera similar, una célula sobrecargada a veces puede responder diciendo: 'Estoy demasiado cansada'. La tesis doctoral de Prather exploró sistemas que producen de manera eficiente una gran cantidad de una sustancia química deseada utilizando menos ADN.

En su cuarto año en Berkeley, Prather recibió una beca de DuPont y viajó a Delaware para su primera presentación completa. Siguiendo la práctica habitual de las conferencias, expuso ante su audiencia las tres motivaciones subyacentes a su investigación. Posteriormente, uno de los científicos de la compañía le explicó cortésmente por qué los tres estaban equivocados. Dijo: 'Lo que estás haciendo es interesante e importante, pero estás motivado por lo que crees que es importante en la industria', dice Prather. 'Y simplemente no nos importa nada de eso'.

Con humildad, Prather decidió que una estancia en el mundo corporativo reduciría el riesgo de que su carrera académica quedara relegada a la irrelevancia en el mundo real. Pasó los siguientes cuatro años en Merck, en un grupo que desarrollaba procesos para fabricar cosas como proteínas terapéuticas y vacunas. Allí aprendió sobre los tipos de proyectos y problemas que más importan a los profesionales como su crítico de DuPont.

Merck empleó hordas de químicos para producir grandes cantidades de compuestos químicos para su uso en nuevos medicamentos. Cuando parte de ese proceso parecía más adecuado para la biología que para la química, lo pasaban al departamento en el que trabajaba Prather, que usaba enzimas para realizar el siguiente paso. Por lo general, no eran reacciones muy complicadas, dice Prather. Un solo paso que convierte A en B.

Prather estaba intrigado por la posibilidad de realizar no solo pasos individuales sino toda la síntesis química dentro de las células, utilizando cadenas de reacciones llamadas vías metabólicas. Ese trabajo inspiró lo que se convertiría en una de sus investigaciones más aclamadas en el MIT, donde se unió a la facultad en 2004.

Encontrar el interruptor de producción

No pasó mucho tiempo después de regresar al MIT que esta joven de Texas se enfocó en los combustibles fósiles y sus derivados. Muchos de los proyectos de su laboratorio se centran en reemplazar el petróleo como materia prima. En uno, una colaboración con los colegas del MIT Brad Olsen '03, ingeniero químico, y Desiree Plata, PhD '09, ingeniera civil y ambiental, Prather está utilizando biomasa para crear polímeros renovables que podrían conducir a un tipo de plástico más ecológico. Su laboratorio está descubriendo cómo inducir a los microbios a convertir el azúcar de las plantas en monómeros que luego pueden convertirse químicamente en polímeros para crear plástico. Al final de la vida útil del plástico, se biodegrada y vuelve a convertirse en nutrientes. Esos nutrientes le darán más plantas de las que puede extraer más azúcar que puede convertir en nuevos productos químicos para convertirlos en nuevos plásticos, dice Prather. Es el círculo de la vida allí.

En estos días, lo que más llama la atención es su investigación sobre la optimización de las vías metabólicas, investigación que ella y otros científicos pueden usar para maximizar el rendimiento de un producto deseado.

El desafío es que las células priorizan el uso de nutrientes, como la glucosa, para crecer en lugar de fabricar estos compuestos deseables. Más crecimiento para la célula significa menos producto para el científico. Entonces te encuentras con un problema de competencia, dice Prather.

Tome el ácido glucárico, el producto químico producido por la compañía de Prather, y que Keasling dice que es extremadamente importante para la industria. (Estas moléculas no son triviales de producir, particularmente en los niveles que se necesitan industrialmente, dice). Prather y su laboratorio habían estado agregando tres genes, extraídos de ratones, levadura y una bacteria, para E. coli , lo que permite a las bacterias transformar un tipo de azúcar simple en ácido glucárico. Pero la bacteria también necesitaba ese azúcar para una vía metabólica que descompone la glucosa para alimentar su propio crecimiento y reproducción.

El equipo de Prather quería cerrar la ruta que alimenta el crecimiento y desviar el azúcar hacia una ruta que produzca ácido glucárico, pero solo después de que el cultivo bacteriano haya crecido lo suficiente como para sostenerse como una fábrica química productiva. Para hacerlo, utilizaron la detección de quórum, un tipo de comunicación a través del cual las bacterias comparten información sobre los cambios en la cantidad de células en su colonia, lo que les permite coordinar funciones en toda la colonia, como la regulación de genes. El equipo diseñó cada célula para producir una proteína que luego crea una molécula llamada AHL. Cuando la detección de quórum detecta una cierta cantidad de AHL, la cantidad producida en el tiempo que tarda el cultivo en alcanzar un tamaño sostenible, activa un interruptor que apaga la producción de una enzima que forma parte del proceso de descomposición de la glucosa. La glucosa cambia a la vía de síntesis química, aumentando en gran medida la cantidad de ácido glucárico producido.

Los interruptores de Prather, llamados válvulas de metabolitos, ahora se utilizan en procesos que aprovechan los microbios para producir una amplia gama de productos químicos deseados. Las válvulas se abren o cierran en respuesta a cambios en la densidad de moléculas particulares en una vía. Estos interruptores se pueden ajustar para optimizar la producción sin comprometer la salud de las bacterias, lo que aumenta drásticamente la producción. El artículo principal de los investigadores, que se publicó en Nature Biology en 2017, ha sido citado casi 200 veces. El objetivo en este punto es aumentar la escala.

Como muchos de los mecanismos que utiliza Prather en su investigación, estos interruptores ya existen en biología. Las células cuyos recursos están amenazados por células extrañas vecinas cambiarán del modo de crecimiento a producir antibióticos para matar a sus competidores, por ejemplo. Las células que fabrican cosas como los antibióticos tienen una forma natural de producir primero más de sí mismas y luego poner sus recursos en la fabricación del producto, dice ella. Desarrollamos una forma sintética de imitar la naturaleza.

La asesora de Prather en Berkeley, Keasling, ha estado usando un derivado del interruptor inspirado en su investigación. La herramienta para canalizar el flujo metabólico, el flujo de material a través de una vía metabólica, es un trabajo muy importante que creo que los ingenieros metabólicos utilizarán ampliamente en el futuro, dice. Cuando Kristala publica algo, sabes que va a funcionar.

Tutoría de jóvenes científicos

Prather recibe al menos tanto reconocimiento por la enseñanza y la tutoría como por su investigación. Se preocupa profundamente por la educación y está comprometida con sus estudiantes de una manera que realmente se destaca, dice Keasling. Los estudiantes describen su optimismo y apoyo, diciendo que ella motiva sin mandar. Ella creó un entorno en el que era libre de cometer mis propios errores y aprender y crecer, dice Kevin V. Solomon, SM '08, PhD '12, quien estudió con Prather entre 2007 y 2012 y ahora es profesor asistente de química y biomedicina. ingeniería en la Universidad de Delaware. En algunos otros laboratorios, señala, tienes plazos estrictos y te rindes o te asustas.

Fue en Merck donde Prather se dio cuenta de lo mucho que le encanta trabajar con científicos jóvenes, y también fue donde reunió el arsenal de gestión que utiliza para administrar su laboratorio. Entonces, por ejemplo, se asegura de conocer las preferencias de cada estudiante sobre el estilo de comunicación, porque no es lo mismo tratar a todos de manera justa que tratar a todos por igual, dice. Las reuniones individuales comienzan con unos minutos de conversación sobre temas generales, para que Prather pueda averiguar el estado de ánimo de los estudiantes y asegurarse de que estén bien. Establece estándares claros, con la intención de evitar la incertidumbre sobre las expectativas que es común en los laboratorios académicos. Y cuando los estudiantes plantean inquietudes, es importante documentar y confirmar que han sido escuchados, dice.

Los líderes más efectivos modelan los comportamientos que quieren ver en los demás. Prather, quien recibió el Premio al Liderazgo Martin Luther King del MIT en 2017, espera compromiso y alto rendimiento de sus estudiantes de posgrado y posdoctorados, pero no a costa de su salud física o mental. Ella desaconseja trabajar los fines de semana, en la medida de lo posible en biología, e insiste en que los miembros del laboratorio tomen vacaciones. Y desde el principio ha demostrado que es posible hacer ciencia de primera y tener una vida personal al mismo tiempo.

Prather se comunica con el estudiante graduado de ingeniería química K'yal Bannister, quien está diseñando vías para que el proyecto produzca monómeros renovables.

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Las dos hijas de Prather eran niñas del campus. Tenía 31 años y un bebé de dos meses cuando se unió a la facultad, y amamantaba a su hija en su oficina antes de dejarla en el nuevo centro de cuidado infantil del Instituto. Más tarde, instaló una pequeña mesa y sillas cerca de su escritorio como área de juegos. Los niños la han acompañado en viajes de trabajo (Prather y su esposo se turnaban para cuidarlos cuando eran pequeños) y con frecuencia asisten a los eventos nocturnos y de fin de semana de su madre. Prather recuerda presentarse para una presentación en 32-123 con ambos niños a cuestas y prepararlos con refrigerios en la primera fila. Mi hija rápidamente dejó caer la salsa marinara para acompañar sus palitos de mozzarella en el piso, dice. Estaba sobre mis manos y rodillas limpiando salsa roja 15 minutos antes de dar una charla.

Prather establece límites. Ella rechaza casi todas las invitaciones para las noches de los viernes, que es tiempo para la familia. Los viajes están limitados a dos por mes y no viajará en el cumpleaños de ningún miembro de la familia ni en su aniversario. Pero también recibe estudiantes en su casa, donde organiza parrilladas y cenas de Acción de Gracias para cualquiera que no tenga un lugar a donde ir. Los traigo a mi casa ya mi vida, dice ella.

Cuando Solomon era estudiante de Prather, incluso recibió a sus padres. Esa hospitalidad continuó después de graduarse, cuando él y su madre se encontraron con su ex profesor en una conferencia en Alemania. Ella tuvo la amabilidad de mantener ocupada a mi madre porque sabía que yo estaba trabajando en red para avanzar en mi carrera, dice Solomon.

Fue un acto acorde con las prioridades de Prather. Más allá de las innovaciones, más allá de los descubrimientos, su objetivo general es crear científicos independientes exitosos. Lo más importante que hacemos como científicos es capacitar a estudiantes y posdoctorados, dice ella. Si sus estudiantes están bien capacitados y listos para avanzar en el conocimiento, incluso si lo que estamos trabajando no llega a ninguna parte, para mí eso es una victoria.

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Sobre ser negro en el MIT

Dando testimonio del racismo

Como estudiante en el MIT, Kristala Jones Prather '94 nunca fue objeto de comportamiento racista. Pero ella dice que otros estudiantes negros no tuvieron tanta suerte. Aunque nadie la desafió directamente, había una atmósfera general en el campus que cuestionaba la validez de mi existencia, dice. Los artículos en The Tech afirmaban que la acción afirmativa estaba diluyendo la calidad del grupo de estudiantes.

Durante su tercer año, un grupo parado en el techo de una fraternidad lanzó insultos raciales a los estudiantes negros que regresaban a su dormitorio. En respuesta, Prather y otro estudiante colaboraron con Clarence G. Williams, HM '09, asistente especial del presidente, para producir un documental llamado Es intuitivamente obvio sobre la experiencia de los estudiantes negros en el MIT.

Participé en mucho activismo para crear un clima en el que los estudiantes no tuvieran que estar sujetos a la idea de que el MIT estaba haciendo obras de caridad, dice Prather. Más bien, estaba brindando una oportunidad a los estudiantes que habían demostrado su capacidad para representar con orgullo a la institución.

La decisión de Prather de regresar al MIT como miembro de la facultad fue difícil, en parte porque sus antiguos compañeros de clase negros, muchos de los cuales habían experimentado un racismo manifiesto, estaban disuadiendo a sus propios hijos de asistir. También le preocupaba que esta vez no pudiera evitar los ataques personales. No quería que todos los sentimientos positivos que tenía sobre el MIT se arruinaran, dice ella.

Esos temores resultaron ser infundados. Prather dice que ha recibido un tremendo apoyo de su jefe de departamento y colegas, así como abundantes oportunidades de liderazgo. Pero reconoce que no todos sus compañeros pueden decir lo mismo. Ella es cautelosamente optimista sobre la iniciativa de diversidad actual del Instituto. Estamos progresando, dice ella. Estoy a la espera de ver si existe un compromiso real para crear un entorno en el que los estudiantes de color puedan sentir que el Instituto es un hogar para ellos.

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