Un equipo de investigación liderado por el profesor Donghyuk Kim de la Escuela de Ingeniería Energética y Química de la UNIST, en colaboración con el profesor Gyoo Yeol Jung de POSTECH y el Dr. Myung Hyun Noh del Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea (KRICT), ha desarrollado una innovadora técnica evolutiva destinada a seleccionar cepas de E. coli que metabolizan de manera más eficiente el acetato, un recurso de carbono sostenible y de bajo costo.
Las cepas evolucionadas mediante este método han demostrado un aumento de 1.7 veces en su capacidad de convertir acetato en ácido itacónico, una materia prima clave para adhesivos ecológicos y bioplásticos. Este avance, publicado en la revista Bioresource Technology, podría transformar a las fábricas celulares microbianas en productoras estables y eficientes de materias primas químicas.
Avances en la producción sostenible
El ácido itacónico, un polímero biodegradable, es un componente esencial en adhesivos médicos. Su producción actual se basa principalmente en la fermentación de almidones por hongos, un proceso que consume recursos alimentarios significativos y acarrea altos costos de producción. En cambio, el acetato, que proviene principalmente del vinagre, se presenta como un sustrato económico y abundante. Además, el uso de acetato, junto con la captura de dióxido de carbono, puede contribuir a los esfuerzos de reducción de carbono. Sin embargo, los microorganismos suelen tener dificultades para metabolizar el acetato de forma eficiente debido a su toxicidad y carga metabólica, lo que limita los rendimientos de ácido itacónico.
Para hacer frente a este desafío, el equipo de investigación utilizó un enfoque de evolución adaptativa en laboratorio (ALE), seleccionando cepas que prosperan en altos niveles de ácido itacónico. Integraron biosensores diseñados para expresar genes de resistencia a antibióticos en respuesta a las concentraciones de ácido itacónico derivadas del acetato en E. coli. A través de un aumento gradual de los niveles de antibióticos durante ciclos de cultivo repetidos, solo aquellas cepas capaces de producir altos niveles de ácido itacónico lograron sobrevivir y prosperar.
Tras aproximadamente 50 generaciones de evolución en laboratorio, el equipo aisló cepas que mostraban una producción de ácido itacónico 1.7 veces superior y tasas de división celular más rápidas en comparación con las cepas originales. Para esclarecer la base genética de estas mejoras, se realizaron análisis de genoma completo y transcriptoma. Curiosamente, las cepas evolucionadas presentaron una gran deleción genómica de aproximadamente 31,000 pares de bases, que incluía dos genes implicados en el metabolismo del acetato y la eficiencia del crecimiento. Se descubrió que esta deleción inducía la respuesta estricta, un mecanismo de adaptación al estrés que altera la fisiología celular para favorecer una utilización y crecimiento del acetato más eficientes.
Jihoon Woo, primer autor del estudio, explicó que, «mientras que la respuesta estricta se conoce típicamente por su función de suprimir el crecimiento y conservar recursos bajo estrés, en este caso, facilitó sorprendentemente el metabolismo más eficiente del acetato y mejoró tanto el crecimiento como la producción».
El profesor Kim comentó: «A través de este enfoque evolutivo y de biología de sistemas, reinterpretamos las respuestas fisiológicas microbianas y convertimos lo que anteriormente se consideraba una desventaja—la respuesta estricta—en una ventaja para la bioproducción. Esta estrategia ofrece perspectivas prometedoras para el desarrollo de tecnologías de fabricación química sostenible en la era post-combustible fósil».
