Fábricas celulares: Coringas da Atualidade

Fábricas Celulares Microbianas

Fábricas celulares microbianas consistem em linhagens de microrganismos otimizadas por técnicas de biologia sintética e engenharia metabólica para a produção de determinado produto, geralmente um químico, a partir de uma fonte de carbono renovável. Estas são especialmente relevantes na atualidade por proporcionarem processos alternativos àqueles que contribuem para o agravamento do aquecimento global e poluição enquanto mantêm alto rendimento. Algumas aplicações incluem a produção de biocombustíveis, corantes microbianos, fármacos, “bulk chemicals” (químicos comercializados e utilizados em larga escala), químicos finos, polímeros, produtos naturais, entre outros.

Microrganismos selvagens não possuem, muitas vezes, a capacidade de produzir determinado produto e, se produzem, podem não fazê-lo em grandes quantidades. Neste sentido, é possível otimizar a produção no organismo de origem, através de seleção de linhagens selvagens mais produtivas, mas isto é limitado às capacidades nativas do organismo. 

Alternativamente, pode ser mais eficiente selecionar um microrganismo conhecido adequado ao processo, que pode ou não ser o mesmo que produz o produto naturalmente, e utilizar técnicas de biologia sintética, engenharia metabólica e de bioprocessos para torná-lo capaz de produzir o produto alvo de maneira otimizada construindo, assim, uma fábrica celular. Alguns organismos que já foram modificados desta forma no LaFaC são: Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum, Salmonella typhimurium, Xanthomonas campestris e Aspergillus niger.

Etapas

Diversos passos devem ser seguidos para a montagem das fábricas celulares, entre os quais a escolha do organismo utilizado, chamado chassi (i.e organismo que servirá de plataforma para os componentes biológicos que executarão a produção), montagem do caminho biossintético (o qual pode ser existente na natureza ou deverá ser criado de novo), e a otimização do metabolismo celular e do bioprocesso para obter o maior rendimento possível do produto. Todavia, o método tradicional de tentativa e erro pode ser excessivamente laborioso a depender do caso. Por isso, para auxiliar o projeto das fábricas celulares, podem ser utilizados modelos computacionais que simulam o metabolismo da célula produtora e que preveem consequências fenotípicas de alterações genéticas ou ambientais que facilitam a formação de hipóteses como, por exemplo, se o silenciamento de um gene nativo do organismo tem capacidade de aumentar a produção do nosso produto de interesse. Então, as hipóteses produzidas in silico podem ser testadas na bancada em busca da melhor fábrica celular possível.

Como um guia sistemático, os pesquisadores utilizam, no geral, o ciclo DBTL (design-build-test-learn) para a construção da melhor fábrica. No caso, na etapa de design o problema é definido e é utilizado para guiar a escolha do melhor chassi e caminho biossintético a ser explorado. Na fase de build (construção) elementos são combinados e incorporados no chassi para, na fase teste, serem validados e a performance da linhagem ser aferida. Então, na fase de aprendizado há análise dos dados coletados para evidenciar pontos de melhoria e este conhecimento volta à fase de design repetindo o ciclo. Esta sistemática, muito utilizada em biologia sintética e engenharia metabólica, permite maior eficiência no processo laborioso de desenvolvimento de linhagens altamente produtivas.