Ingeniaritza metaboliko

Ingeniaritza metabolikoa zelulen barruko prozesu genetikoak eta erregulatzaileak optimizatzeko tekniken multzoa da, substantzia jakin baten zelulen ekoizpena handitzeko. Prozesu horiek erreakzio biokimikoek eta entzimek osatzen dituzten sare kimikoak dira. Hauek zelulei lehengaiak zelularen biziraupenerako beharrezkoak diren molekuletan bihurtzeko aukera ematen diete. Ingeniaritza metabolikoaren helburuak sare horiek matematikoki modelatzea, produktu erabilgarrien errendimendua kalkulatzea eta produktu horien ekoizpena mugatzen duten sareko zatiak adieraztea dira. Ingeniaritza genetikoko teknikak, beraz, sarea aldatzeko erabil daitezke muga horiek arintzeko helburuarekin. Beste behin, aldatutako sarea modelatu daiteke produktuaren errendimendu berria kalkulatzeko.

Ingeniaritza metabolikoaren azkeneko helburua organismo horiek industria-eskalan modu errentagarrian baliozko substantziak ekoizteko erabili ahal izatea da. Gaur egungo adibide batzuk garagardoaren, ardoaren, gaztaren, farmakoen eta beste produktu bioteknologiko batzuen ekoizpena dira. Ingeniaritza metabolikorako erabili ohi diren estrategietako batzuk hauek dira: (1) bidezidor biosintetikoaren abiadura mugatzen duen entzima kodetutako genearen gainadierazpena, (2) bide metaboliko lehiakideen blokeoa, (3) adierazpen genetiko heterologoa eta (4) ingeniaritza entzimatikoa.

Zelulek bidezidor metaboliko horiek erabiltzen dituztenez bizirauteko, aldaketek eragin drastikoak izan ditzakete zelulen bideragarritasunean. Hortaz, ingeniaritza metabolikoan intereseko substantziaren ekoizpenaren eta zelulen bideragarritasunaren arteko orekak bilatu behar dira. Horregatik, entzima metabolikoak kodetzen dituzten geneak zuzenean ezabatu edota gainadierazi beharrean, gaur egungo xedea zelulen sare erregulatzaileetan ardaztea da, metabolismoa eraginkortasunez diseinatzeko.

Historia eta aplikazioak 

Iraganean, intereseko metabolito baten produktibitatea handitzeko, mikroorganismo bat genetikoki aldatzen zen kimikoki induzitutako mutazio baten bidez. Ondoren, aukeratzen zen intereseko metabolitoa gainadierazten zuen andui mutantea. Hala ere, teknika horren arazo nagusietako bat zen ez zela metabolito hori ekoizteko bide metabolikoa aztertzen, eta, ondorioz, ez ziren ezagutzen ekoizpenaren mugak eta aldatu behar ziren bide metabolikoaren entzima garrantzitsuak.

1990eko hamarkadan ingeniaritza metabolikoa izeneko teknika berri bat sortu zen. Teknika honek mikroorganismo baten ibilbide metabolikoa aztertzen du eta ekoitzi nahi diren konposatuen produkzioan dituen mugak eta ondorioak zehazten ditu. Ostean, ingeniaritza genetikoa erabiltzen da muga horiek arintzeko. Ingeniaritza metabolikoaren arrakastaren adibide batzuk honako hauek dira; (i) Corynebacterium glutamicum-en lisina ekoizteko mugak identifikatzea eta gene berriak txertatzea muga horiek arintzeko eta ekoizpena hobetzeko, (ii) alderantzizko beta-oxidazioa deritzon gantz-azidoen biosintesirako bide berri baten diseinua, zeina bide natiboa baino eraginkorragoa den gantz-azidoen eta alkoholen ekoizpenean, geroago produktu kimiko eta erregaietan katalitikoki bihur daitezkeenak, (iii) E. coli-k sortutako DAHP metabolito aromatikoaren ekoizpena hobetzea, zeina aminoazido aromatikoak ekoizteko bitartekari bat den. Fluxu metabolikoaren analisiaren bitartez, DAHPren errendimendu maximo teorikoa erabilitako glukosa molekula bakoitzeko 3/7 zela zehaztu zen. Horren arrazoia da glukosaren karbonoaren zati bat karbono dioxido gisa galtzen dela, DAHP ekoizteko erabili beharrean. Gainera, DAHP ekoizteko erabiltzen den metabolitoetako bat (PEP edo fosfoenolpirubatoa) pirubatoan (PYR) bihurtzen ari zen glukosa zelularen barrura garraiatzeko, eta, beraz, ez zen erabilgarria DAHP ekoizteko. PEP-ren eskasia arintzeko eta errendimendua hobetzeko, Patnaik et al. E. coli-n ingeniaritza genetikoa erabili zuten PYR berriro PEP bihurtzen duen erreakzio bat sartzeko. Horrela, glukosa zelularen barrura garraiatzeko erabiltzen zen PEP birsortzen da eta DAHP fabrikatzeko erabil daiteke. Honen bitartez 6/7-ko errendimendu teoriko berri bat lortu zen, E. coli sistema natiboaren bikoitza. 

Industria mailan, ingeniaritza metabolikoa gero eta egokiagoa eta errentagarriagoa da. Bioteknologiaren Industriaren Erakundearen arabera, "eraikitzen ari dira 50 biofindegi instalazio baino gehiago Ipar Amerika osoan, ingeniaritza metabolikoa aplikatzeko biomasa berriztagarritik abiatuta bioerregaien eta produktu kimikoen ekoizpenari, berotegi-efektuko gasen emisioak murrizten lagun dezaketenak". Bioerregai potentzialek kate laburreko alkoholak eta alkanoak (gasolina ordezkatzeko), gantz-azidoen eta gantz-alkoholen ester metilikoak (gasolioa ordezkatzeko) eta gantz-azidoetan eta isoprenoideetan oinarritutako bioerregaiak (gasolioa ordezkatzeko) barne hartzen dituzte.

Ingeniaritza metabolikoak eboluzionatzen jarraitzen du eraginkortasunari eta prozesuei dagokienez, biologia sintetikoaren arloko aurrerapenen eta metabolitoek eragindako kalteak ulertzeko eta konpontzeko edo prebenitzeko aurrerapenen laguntzari esker. Ingeniaritza metabolikoko lehen esperimentuek frogatu zuten bitartekari erreaktiboen metaketak diseinatutako bideetan fluxua mugatu dezakeela eta zelula ostalarientzat kaltegarria izan daitekeela kalteak kontrolatzeko sistemak falta badira edo desegokiak badira. Biologia sintetikoaren ikertzaileek bide genetikoak optimizatzen dituzte, eta horiek eragina dute emaitza metaboliko zelularretan. DNA sintetizatuaren kostuaren azken aldiko jaitsierak eta zirkuitu genetikoen aurrerapenek ingeniaritza metabolikoaren bitartez lortu nahi diren emaitzak lortzeko duen gaitasunean laguntzen dute.

Fluxu metabolikoaren analisia

Bide metabolikoen sorrera analisirako 
Prozesuaren lehen urratsa, organismo baten metabolismoa hobetuz edo aldatuz lortu nahi den helburua finkatzea da. Helburu hori lortzeko, erreakzio eta bide metabolikoak ikertu behar dira eta horretarako, erreferentzia-liburuak eta online datubaseak erabiltzen dira; izan ere, datubase horiek informazio genomiko eta kimiko ugari daukate, baita metabolismoaren eta beste prozesu zelular batzuen bideak ere. Aurretik egindako ikerketatik abiatuta, organismo bat aukeratuko da; organismoaren bide metabolikoa nahi den bidetik hurbil egotea, organismoa mantetzeko kostuak eta organismoaren bidea aldatzeko erraztasuna kontuan hartuz. Adibidez, Esterichia coli ingenieritza metabolikoan asko erabiltzen den bakterioa da, batik bat, mantentzeko eta aldatzeko duen erraztasunagatik. Aukeratutako organismoak nahi den emaitza lortzeko bide osoa ez badu, falta diren entzimak sortzen dituzten geneak sartu behar zaizkio organismoari.

Bide metaboliko bat analizatzen 
Produktuaren errendimendu teorikoa edo zelularen erreakzio-fluxuak aurkitzeko, ibilbide metaboliko osoa matematikoki molda daiteke. Fluxua, sarean erreakzio jakin batek jasaten duen abiadurari deritzo. Bide metabolikoen analisi errazak eskuz egin daitezke, baina gehienen kalkuluak egiteko informatika-programak beharrezkoak dira, programa horiek aljebra linealeko algoritmo konplexuak erabiltzen dituztelarik. Sare bat ebazteko, jarraian erakusten den sistema jakin batzuetarako ekuazioa erabiliko da. Ekuazioan, erreakzio garrantzitsuei eta horien fluxuei buruzko beharrezko informazioa sartzea ezinbestekoa da. Alde batetik, erreakzioari buruzko informazioa, hala nola, erreaktiboak eta estekiometria, Gx eta Gm matrizeetan dago. Bestetik, Vm eta Vx matrizeetan erreakzio garrantzitsuen fluxuak ageri dira, non ekuazioa ebaztean fluxu ezezagun guztien balioak ere egongo diren (Vx-en daudenak).

Manipulazio genetiko optimoen zehaztea 
Sareko erreakzioen fluxuak ebatzi ondoren, nahi den produktuaren errendimendua maximizatzeko zer erreakzio alda daitezkeen zehaztu behar da. Zer manipulazio genetiko espezifiko egin behar den zehazteko, algoritmo konputazionalak erabiltzen dira, hala nola, OptGene edo OptFlux. Algoritmo horiek, geneak gainadierazi, ezabatu edo zelula batean sartu behar diren gomendatzen du, honen helburua, nahi den produktuaren ekoizpena handitzea izanik. Adibidez, erreakzio jakin baten fluxua baxua bada, produktuaren kantitatea mugatuz, software-ak erreakzio hori katalizatzen duen entzima zelulan gainadieraztea gomendatu dezake, erreakzioaren fluxua handitu nahian. Prozesu honetan egin beharreko manipulazio genetikoak biologia molekularreko teknika estandarren bidez egin daitezke. Geneak organismo batean gainadierazi edo ezaba daitezke, bidean duten eraginaren eta azken helburuaren arabera.

Neurketa esperimentalak 
Eredu ebazgarri bat sortzeko, sarritan beharrezkoa da dagoeneko ezagunak diren edo esperimentalki neurtuta dauden fluxu batzuk izatea. Gainera, manipulazio genetikoek sare metabolikoan duten eragina egiaztatzeko (ereduarekin lerrokatzen direla ziurtatzeko), sareko fluxuak esperimentalki neurtu behar dira. Erreakzio-fluxuak neurtzeko, karbono-13 markaketa isotopikoa duten karbono-fluxuen neurketak egiten dira. Organismoa, karbono-12 atomoen ordez, karbono-13 atomoak dituzten molekulez osatutako nahasketa baten bidez elikatzen da. Molekula horiek sarean erabili ondoren, ondorengo metabolitoak ere karbono-13 karbonoekin markatzen dira, hauek haien egituretan barneratzen dituztelarik. Metabolitoen markaketa patroi espezifikoa sareko erreakzio-fluxuek zehazten dute eta markaketa patroi horiek neurtzeko, hainbat teknika erabil daitezke, esaterako, gas kromatografia-masa espektrometria (GC-MS).

Erreferentziak

Ikus, gainera 
 Bakterioen transformazioa
 Bioerreaktorea
 Ingeniaritza genetikoa
 Zirkuitu biologiko sintetikoa
 Biologia sintetikoa

Kanpo estekak 
 Biotechnology Industry Organization (BIO) -en weborria: https://www.bio.org/

Bioingeniaritza