Biologia Molecular Mexico

En Pocas Palabras:

La ingeniería metabólica busca “reprogramar” microorganismos, como las levaduras, para que produzcan compuestos valiosos (químicos, fármacos, biocombustibles) de manera eficiente y sostenible. Sin embargo, diseñar estas “fábricas celulares” es un proceso lento y costoso, ya que a menudo se deben probar muchas modificaciones genéticas para encontrar la combinación óptima. Un nuevo estudio ha desarrollado una poderosa herramienta basada en CRISPR-Cas9, llamada TUNEYALI, que permite “afinar” de forma masiva y rápida la expresión de genes en la levadura industrial Yarrowia lipolytica. Al cambiar los “interruptores” (promotores) de muchos genes a la vez, los científicos pueden generar bibliotecas de levaduras con diversas características y seleccionar aquellas con el rendimiento deseado, acelerando drásticamente el desarrollo de cepas para la biotecnología y la investigación genómica fundamental.

El Desafío de Diseñar “Fábricas” Microbianas Eficientes

En la búsqueda de un futuro más sostenible, la ingeniería metabólica se ha convertido en una disciplina crucial. Su objetivo es modificar genéticamente microorganismos, como bacterias y levaduras, para convertirlos en eficientes “fábricas celulares” capaces de producir una amplia gama de productos químicos, fármacos, biocombustibles y materiales a partir de recursos renovables. Aunque hemos avanzado mucho en la predicción de qué genes modificar, la realidad es que la construcción de cepas de alto rendimiento sigue siendo un proceso arduo, costoso y que consume mucho tiempo. A menudo, se requiere probar numerosas hipótesis y realizar múltiples ciclos de diseño, construcción y prueba. Un nuevo avance, publicado en la prestigiosa revista PNAS por Wei Jiang, Irina Borodina y un equipo de colaboradores del Centro de la Fundación Novo Nordisk para la Biosostenibilidad en Dinamarca, presenta una solución innovadora: TUNEYALI, una metodología de alto rendimiento basada en CRISPR-Cas9 que permite “afinar” de manera masiva y precisa la expresión génica en la levadura industrial Yarrowia lipolytica.

Yarrowia lipolytica: Una Levadura Prometedora para la Biotecnología

Yarrowia lipolytica es una levadura no convencional que ha ganado mucha popularidad en la biotecnología industrial. A diferencia de la levadura de panadería tradicional (Saccharomyces cerevisiae), Y. lipolytica es naturalmente capaz de producir grandes cantidades de lípidos (aceites), lo que la hace ideal para la producción de ácidos grasos omega-3, biocombustibles y otros oleoquímicos. También se utiliza para fabricar edulcorantes (glucósidos de esteviol), feromonas y otros compuestos. Sin embargo, optimizar su metabolismo para la producción eficiente de un producto específico sigue siendo un desafío.

TUNEYALI: Afinación Fina de la Expresión Génica a Gran Escalo

La clave del método TUNEYALI (Tuning Gene Expression in Yarrowia lipolytica) radica en la capacidad de modular de forma precisa y controlada la “fuerza” con la que se expresan múltiples genes a la vez. En lugar de simplemente eliminar o sobreexpresar genes, TUNEYALI se basa en reemplazar los promotores nativos de los genes de interés por un conjunto de promotores conocidos de Y. lipolytica que tienen diferentes niveles de actividad (desde muy débiles hasta muy fuertes), o incluso eliminar el promotor por completo.

El proceso implica:

1. Diseño de una Biblioteca de Plásmidos: Se crea una biblioteca de plásmidos donde cada plásmido contiene:
   • Un ARN guía (sgRNA) que dirige la maquinaria CRISPR-Cas9 al promotor del gen objetivo.
   • Un “molde de reparación” que, al integrarse en el genoma, reemplaza el promotor nativo por uno de los promotores seleccionados o lo elimina. Crucialmente, tanto el sgRNA como el molde de reparación están en el mismo plásmido, lo que asegura una alta eficiencia de edición.

2. Transformación y Selección: Esta biblioteca de plásmidos se introduce en la cepa de Y. lipolytica que ya expresa la enzima Cas9. El resultado es una vasta colección de células mutantes, cada una con un nivel de expresión diferente para el gen objetivo.
3. Cribado de Alto Rendimiento (Screening): Se seleccionan las células que muestran el fenotipo deseado (por ejemplo, mayor producción de un compuesto, mayor tolerancia a una condición de estrés, o una morfología particular).

Demostrando el Poder de TUNEYALI

Para demostrar la capacidad de su método, los investigadores crearon una biblioteca TUNEYALI dirigida a 56 factores de transcripción (TFs) en Y. lipolytica. Los TFs son proteínas maestras que controlan la expresión de muchos otros genes, por lo que modular su actividad puede tener efectos profundos y a veces inesperados en la célula.

Aplicaron esta biblioteca a cepas de referencia y a cepas productoras del pigmento rojo betanina (un colorante alimentario natural) y seleccionaron clones con mejoras en:

• Morfología: Identificaron TFs cuya modulación eliminaba el crecimiento pseudohifal (filamentoso), un problema común en fermentaciones industriales que causa espumación.
• Termotolerancia: Encontraron TFs que, al ser alterados, permitían a la levadura crecer a temperaturas más altas, lo cual es ventajoso para los procesos industriales.
• Producción de Betanina: Identificaron varios TFs cuya modificación de su promotor (tanto hacia arriba como hacia abajo) aumentaba significativamente la producción de betanina, revelando dianas de ingeniería metabólica que no eran obvias a priori.

Importancia y Aplicaciones Futuras:

TUNEYALI representa un avance significativo para la ingeniería metabólica y la genómica funcional:

1. Aceleración del Desarrollo de Cepas: Permite probar miles de hipótesis genéticas simultáneamente, reduciendo drásticamente el tiempo y el costo asociados con el desarrollo de cepas industriales de alto rendimiento.

2. Descubrimiento de Nuevas Dianas de Ingeniería: Al modular la expresión de grupos de genes (como los TFs), se pueden descubrir nuevas dianas y mecanismos regulatorios que no serían evidentes con enfoques más tradicionales de gen por gen.
3. Herramienta para la Genómica Funcional: Facilita el estudio de la función de genes y redes regulatorias al permitir una “afinación” precisa de sus niveles de expresión.
4. Potencial de Iteración: Aunque en este estudio una sola ronda de TUNEYALI fue suficiente para obtener mejoras, la herramienta tiene el potencial de ser aplicada de forma iterativa para optimizar aún más las cepas.
5. Compartir y Reutilizar: Las bibliotecas generadas (como la TUNEYALI-TF) pueden ser compartidas y reutilizadas por la comunidad científica, acelerando la investigación en Y. lipolytica y potencialmente en otros organismos.

Conclusión: Una Caja de Herramientas Genéticas de Precisión para la Biotecnología

El trabajo de Jiang, Borodina y sus colegas proporciona una poderosa y versátil caja de herramientas genéticas, TUNEYALI, que simplifica y acelera enormemente la ingeniería metabólica de Yarrowia lipolytica. Al permitir el ajuste fino y masivo de la expresión génica, esta metodología no solo facilita la optimización de cepas para la producción de compuestos de interés industrial, sino que también abre nuevas vías para la investigación fundamental en genómica funcional. Es un paso importante hacia el diseño más racional y eficiente de las “fábricas celulares” del futuro, contribuyendo al avance de una bioeconomía más sostenible.

Referencia del Artículo:

Jiang, W., Wang, S., Ahlheit, D., Fumagalli, T., Yang, Z., Ramanathan, S., … & Borodina, I. (2025). High-throughput metabolic engineering of Yarrowia lipolytica through gene expression tuning. PNAS, 122(23), e2426686122. https://doi.org/10.1073/pnas.2426686122