L'ingegneria metabolica dei sistemi è stata impiegata per costruire e ottimizzare le vie metaboliche per la produzione di luteina e sono state inoltre impiegate strategie di canalizzazione del substrato e canalizzazione degli elettroni per aumentare la produzione della luteina con un'elevata produttività. Credito:Laboratorio nazionale di ricerca KAIST di ingegneria metabolica e biomolecolare
La luteina è classificata come una xantofilla chimica abbondante nel tuorlo d'uovo, nella frutta e nella verdura. Protegge l'occhio dai danni ossidativi delle radiazioni e riduce il rischio di malattie degli occhi tra cui la degenerazione maculare e la cataratta. I prodotti commercializzati a base di luteina derivano dagli estratti del fiore di calendula, noto per contenere abbondanti quantità di luteina. Tuttavia, lo svantaggio della produzione di luteina dalla natura è che ci vuole molto tempo per crescere e raccogliere fiori di calendula. Inoltre, richiede ulteriori estrazioni fisiche e chimiche con una bassa resa, il che lo rende economicamente impraticabile in termini di produttività. L'alto costo e la bassa resa di questi bioprocessi hanno reso difficile soddisfare prontamente la domanda di luteina.
Queste sfide hanno ispirato gli ingegneri metabolici del KAIST, inclusi i ricercatori Dr. Seon Young Park, Ph.D. Il candidato Hyunmin Eun e il distinto professor Sang Yup Lee del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare. Lo studio del team è stato pubblicato su Nature Catalysis il 5 agosto 2022.
Questa ricerca descrive in dettaglio la capacità di produrre luteina da E. coli con una resa elevata utilizzando una fonte di carbonio a basso costo, il glicerolo, tramite l'ingegneria metabolica dei sistemi. Il gruppo di ricerca si è concentrato sulla risoluzione dei colli di bottiglia del percorso biosintetico per la produzione di luteina costruito all'interno di una singola cellula. In primo luogo, utilizzando l'ingegneria metabolica dei sistemi, che è una tecnologia integrata per ingegnerizzare il metabolismo di un microrganismo, la luteina è stata prodotta quando è stata introdotta la via di biosintesi della luteina, anche se in quantità molto piccole.
Per migliorare la produttività della produzione di luteina, sono stati prima identificati gli enzimi collo di bottiglia all'interno della via metabolica. Si è scoperto che le reazioni metaboliche che coinvolgono un enzima promiscuo, un enzima coinvolto in due o più reazioni metaboliche, e gli enzimi del citocromo P450 che richiedono elettroni sono i principali passaggi del collo di bottiglia del percorso che inibisce la biosintesi della luteina.
Per superare queste sfide, è stata impiegata la canalizzazione del substrato, una strategia per reclutare artificialmente enzimi in prossimità fisica all'interno della cellula al fine di aumentare le concentrazioni locali di substrati che possono essere convertiti in prodotti, per incanalare più flusso metabolico verso la sostanza chimica bersaglio riducendo il formazione di sottoprodotti indesiderati.
Inoltre, la canalizzazione degli elettroni, una strategia simile alla canalizzazione del substrato ma diversa in termini di aumento delle concentrazioni locali di elettroni richiesti per le reazioni di ossidoriduzione mediate da P450 e dai suoi partner reduttasi, è stata applicata per razionalizzare ulteriormente il flusso metabolico verso la biosintesi della luteina, che ha portato alla il più alto titolo di produzione di luteina mai registrato in un ospite batterico. La stessa strategia di canalizzazione degli elettroni è stata applicata con successo per la produzione di altri prodotti naturali tra cui nootkatone e apigenina in E. coli, dimostrando l'applicabilità generale della strategia nel campo della ricerca.
"Si prevede che questa produzione di luteina basata su cellule microbiche sarà in grado di sostituire l'attuale processo basato sull'estrazione delle piante", ha affermato il dottor Seon Young Park, il primo autore dell'articolo. Ha spiegato che un altro punto importante della ricerca è che le strategie integrate di ingegneria metabolica sviluppate da questo studio possono essere generalmente applicabili per la produzione efficiente di altri prodotti naturali utili come prodotti farmaceutici o nutraceutici.
"Poiché mantenere una buona salute in una società che invecchia sta diventando sempre più importante, ci aspettiamo che la tecnologia e le strategie sviluppate qui giocheranno un ruolo fondamentale nella produzione di altri preziosi prodotti naturali di importanza medica o nutrizionale", ha spiegato il distinto professor Sang Yup Lee. + Esplora ulteriormente
