Del aceite de palma a las enzimas de diseño: los investigadores reprograman células de levadura

Una línea de montaje molecular con control preciso

El núcleo de esta investigación es una enzima llamada sintasa de ácidos grasos (FAS), una especie de cadena de montaje molecular que fabrica ácidos grasos en todos los organismos vivos. "La FAS es una de las enzimas más importantes del metabolismo celular y ha sido perfeccionada por la evolución a lo largo de millones de años", explica Grininger.

La enzima suele producir ácido palmítico, un ácido graso de 16 carbonos que sirve de componente básico para las membranas celulares y el almacenamiento de energía. La industria, sin embargo, necesita sobre todo variantes más cortas, con entre 6 y 14 átomos de carbono, que hoy se obtienen de aceites vegetales producidos en plantaciones de palma aceitera a gran escala vinculadas a la deforestación y la pérdida de biodiversidad. La ventaja decisiva del nuevo método basado en el FAS: "Fundamentalmente, nuestra ventaja reside en el control muy preciso de la longitud de la cadena. Teóricamente, podemos fabricar cualquier longitud de cadena, y lo estamos demostrando con el ejemplo del ácido graso C12, que de otro modo sólo podría obtenerse a partir de semillas de palma o coco", afirma Grininger.

Comprender a través de la modificación

En los últimos 20 años, Grininger y su equipo han contribuido significativamente a comprender los fundamentos moleculares del FAS. Descubrieron que la longitud de la cadena está regulada por la interacción entre dos subunidades: la cetosintasa alarga repetidamente la cadena en dos átomos de carbono, mientras que la tioesterasa escinde la cadena terminada en forma de ácido graso. "Entonces nos preguntamos si podíamos ir más allá del análisis y construir FAS con una nueva regulación de la longitud de la cadena", dice Grininger. "La verdadera comprensión comienza cuando se puede cambiar o personalizar un fenómeno".

Dos intervenciones específicas conducen al éxito

El estudiante de doctorado de Grininger, Damian Ludig, retomó esta idea. "Nos preguntamos qué pasaría si interviniéramos específicamente en la interacción entre estas dos subunidades", explica Ludig. "¿Podríamos entonces controlar la longitud de la cadena de los ácidos grasos que se producen?".

Ludig empleó métodos de ingeniería de proteínas en los que se pueden intercambiar aminoácidos individuales o modificar regiones enteras de la proteína. "Dos cambios en la FAS mediante ingeniería de proteínas nos condujeron finalmente a nuestro objetivo", dice Ludig. "En la subunidad cetosintasa, primero cambié un aminoácido, lo que dio lugar a que las cadenas sólo se extendieran con poca eficacia a partir de cierta longitud. Además, sustituí la subunidad tioesterasa por una proteína similar procedente de bacterias que muestra actividad en la escisión de cadenas cortas." En función de otros ajustes, Ludig pudo producir ácidos grasos de longitud corta y media.

De Fráncfort a Dalian

La colaboración con el grupo de investigación del Prof. Yongjin Zhou en el Instituto de Física Química de Dalian, de la Academia China de Ciencias, logró finalmente resultados revolucionarios. Con el apoyo de la Fundación Alemana de Investigación (DFG) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC), Zhou y su laboratorio consiguieron desarrollar cepas de levadura que producen ácidos grasos que contienen sólo 12 átomos de carbono en lugar de 16. En estas levaduras se integraron varios FAS de diseño del laboratorio de Grininger para su optimización.

Ambos laboratorios ya han solicitado patentes para sus tecnologías. "Por parte china, Unilever participó en este proyecto. Hasta ahora, nuestro desarrollo se ha llevado a cabo sin participación industrial. Sin embargo, estamos intentando colaborar con un socio industrial para aplicar la tecnología", afirma Grininger.

Pensar en el futuro: De los ácidos grasos a los fármacos

En un segundo proyecto, Felix Lehmann, del laboratorio de Grininger, llevó la investigación aún más lejos, investigando hasta qué punto son universalmente aplicables los FAS para biosíntesis a medida: "Esta cuestión también obedece a una necesidad: desarrollar continuamente procesos químicos hacia una química verde más sostenible", explica Grininger.

La pregunta concreta era: ¿Pueden reorientarse los FAS para producir no sólo ácidos grasos, sino también compuestos totalmente distintos, como las estirilpironas? Estas moléculas son precursoras de sustancias derivadas de la planta kava que suscitan interés médico por sus potenciales propiedades ansiolíticas. También en este caso, Lehmann logró el éxito con relativamente pocas modificaciones: "Primero eliminamos parte de FAS que no necesitábamos para nuestros productos objetivo; después alteramos la cetosintasa para poder utilizar ácido cinámico como material de partida", explica. El equipo incluso integró otra proteína en la estructura del FAS para que formara parte de un complejo multienzimático.

"En este proyecto hemos examinado sistemáticamente cómo se pueden construir vías biosintéticas completas con FAS a partir de componentes básicos fácilmente disponibles", explica Grininger. Aunque los resultados aún no tienen aplicaciones prácticas inmediatas, proporcionan una orientación importante para el futuro diseño de nuevas sintasas".

En la intersección de la química y la biología

"Nuestro laboratorio ha dado pasos importantes hacia la biocatálisis y las aplicaciones biotecnológicas en los últimos años, impulsado por las contribuciones de muchos proyectos y colaboraciones. Seguiremos por este camino", resume Grininger. "Dentro del Cluster de Excelencia SCALE, también utilizaremos esta enzima para generar biomembranas a medida, cuyo análisis ayudará a profundizar en nuestra comprensión de orgánulos clave como el retículo endoplásmico y la mitocondria."

Que la tecnología pueda aliviar realmente los problemas del aceite de palma depende ahora del éxito de su ampliación junto con socios de la industria. No cabe duda de que se han sentado las bases científicas y el laboratorio aún tiene muchas ideas por explorar.