Engenharia Metabólica: desvendando a caixa preta da célula

Você já imaginou que as células, sejam elas de animais, plantas ou microrganismos, funcionam como uma fábrica, dependente de todos seus funcionários para sua sobrevivência.

Para se ter uma ideia, uma célula de levedura realiza mais de 1.500 reações metabólicas associadas com mais de 900 genes, já as humanas possuem mais de 8.000 reações metabólicas e mais de 3.000 genes associados.

Todos seus componentes celulares trabalham conectados para garantir a sobrevivência da célula com o menor gasto de energia possível.

Listo abaixo os componentes da fábrica celular:

1.  Central de controle = Núcleo
2. Manual de informações = Cromossomos
3. Produção de energia = Mitocôndria
4. Produção de produtos = Ribossomos
5. Produção de substrato = Cloroplastos
6. Empacotamentos = Complexo de Golgi
7. Transporte = Vesículas
8. Proteção da Fábrica = Membrana Celular

A fábrica celular. Fonte: Slide Share

Para tentar entender melhor como cada fábrica (célula) trabalha, os cientistas desenvolveram os mapas metabólicos, tão conhecidos e temidos pelos estudantes que fazem a disciplina de bioquímica.

Ahhhh se o ciclo de Krebs fosse tão fácil como andar de bicicleta. Fonte: Pinterest

        Os mapas metabólicos são como um mapa da estação do metrô, porém cada parada, em vez de ser uma estação, nada mais é que um intermediário da reação (enzimas, cofatores) até o produto final.

Estação metabólica. Fonte: Visually

Como a célula até alguns anos atrás era considerada uma caixa preta, a ciência se deparava com grandes desafios para desvenda-la. Logo, várias áreas do conhecimento como Química e Matemática começaram a ser utilizadas para auxiliar nessa procura. Com isso, nasceu a Engenharia Metabólica, que combina ferramentas matemáticas e computacionais, junto com a química, para o estudo das reações celulares.

Engenharia Metabólica

O objetivo principal da engenharia metabólica é analisar o balanço do fluxo metabólico (o que entra e sai da célula). Para isso são realizadas 3 etapas:

Fluxograma simplificado das etapas da engenhaia metabólica. Fonte: Biotecnologia, Ciência e Desenvolvimento

1- Escolhendo um caminho metabólico para análise

Definir a rota metabólica que irá analisar, como, por exemplo, produção de etanol por leveduras.

Mapa metabólico simplificado da produção de etanol pela célula. Fonte: Blogspot

2- Analisando o caminho metabólico

  Com auxílio de análises bioquímicas e computacionais, pode-se analisar como a célula responde a determinada situação ambiental.

Comparação de análises de 3 fluxos metabólicos. Fonte: SYNBIO Brasil

3- Determinando as modificações genéticas

Após conhecermos como o organismo funciona, quais rotas metabólicas está utilizando, e quais metabólitos estão sendo produzidos, é hora de escolher quais modificações fazer nos genes para melhorar a eficiência do processo.

Avaliação de quais genes a alterar e suas consequências. Fonte: OptFlux

4- Medidas Experimentais

Por último,  para saber exatamente qual rota bioquímica a célula está utilizando, é feito um experimento no qual o substrato que a célula utiliza para crescer, se adiciona um carbono de peso molecular diferenciando, o famoso carbono marcado C13. Logo após a célula consumir esse substrato, utiliza-se técnicas de química analitica para monitorar por qual via bioquimica o carbono passou.

Análises Experimentais utilizando carbono marcado. Fonte: 13CFLUX

Aplicações

        Beleza, agora eu sei como funciona a análises de fluxos metabólicos, mas e aí, para quê serve toda essa tecnologia?

        Calma, que listo abaixo as aplicações:

• A partir da análise de fluxos metabólicos, existe um aprimoramento na compreensão de diferentes doenças infecciosas;
• Desenvolvimento que viabiliza metas atualizadas para a criação de medicamentos, devido às descobertas acerca do ciclo das doenças;
• Estabelecimento de diretrizes mais avançadas para a produção e teste de novos remédios para uma série de enfermidades;
• Otimização da produção de produtos provenientes dos microrganismos (etanol, ácido acético, ácido láctico, goma xantana, antibióticos, biopolímeros, etc.);
• Maior conhecimento sobre microrganismos patogênicos, que serão base para desenvolvimento de novos métodos de combate;
• Desenvolvimento de fábricas celulares para produção de biocombustíveis.

Com o desenvolvimento de diversas pesquisas nessa área, já é possível quantificar os componentes da célula de uma bactéria E. Coli.

Composição bioquímica da célula de E. coli. Fonte: SYNBIO Brasil

        Portanto, a Engenharia Metabólica vem como uma das grandes áreas da Biotecnologia, no qual pode auxiliar a desvendar os mistérios da célula e ajudar a melhorar a produtividade celular, principalmente na produção de vacinas, antibióticos, biopolímeros e biocombustíveis.

Referências:

Stephanopoulos, Gregory (2012-11-16). “Synthetic Biology and Metabolic Engineering”. ACS Synthetic Biology. 1 (11): 514–525. doi:10.1021/sb300094q.

https://en.wikipedia.org/wiki/Metabolic_engineering

http://scienceblogs.com.br/synbiobrasil/2012/05/entenda-engenharia-metabolica/

http://www.resumoescolar.com.br/biologia/analise-de-fluxos-metabolicos/