Metagenética

La palabra metagenética utiliza el prefijo meta y el sufijo gen . Literalmente, significa "la creación de algo que crea". En el contexto de la biotecnología, la metagenética es la práctica de modificar genéticamente organismos para crear una enzima, proteína u otros compuestos bioquímicos específicos a partir de materiales de partida más simples. Un ejemplo es la ingeniería genética de E. coli con la tarea específica de producir insulina humana a partir de aminoácidos. También se ha modificado genéticamente E. coli para digerir biomasa vegetal y utilizarla para producir hidrocarburos con el fin de sintetizar biocombustibles. Las aplicaciones de la metagenética en E. coli también incluyen alcoholes superiores, compuestos químicos a base de ácidos grasos y terpenos. ^{[ 1 ]}

El agotamiento de las fuentes de petróleo y el aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero en los siglos XX y XXI han sido el factor determinante del desarrollo de biocombustibles a partir de microorganismos. Actualmente, E. coli se considera la mejor opción para la producción de biocombustibles debido al amplio conocimiento disponible sobre su genoma. El proceso convierte la biomasa en combustibles y ha demostrado su éxito a escala industrial; en 2007, Estados Unidos produjo 6400 millones de galones de bioetanol. El bioetanol es actualmente el principal candidato para la producción de combustibles alternativos y utiliza S. cerevisiae y Zymomonas mobilis para crear etanol mediante fermentación. Sin embargo, la productividad máxima es limitada debido a que estos organismos no pueden utilizar azúcares pentosas, lo que ha llevado a considerar E. coli y Clostridia. E. coli es capaz de producir etanol en condiciones anaeróbicas mediante la metabolización de glucosa en dos moles de formato, dos moles de acetato y un mol de etanol. Aunque el bioetanol ha demostrado ser una fuente de combustible alternativa exitosa a escala industrial, también tiene sus inconvenientes, a saber, su baja densidad energética, alta presión de vapor e higroscopicidad . Las alternativas actuales al bioetanol incluyen biobutanol, biodiesel, propanol e hidrocarburos sintéticos. ^{[ 2 ]} La forma más común de biodiesels son los ésteres metílicos de ácidos grasos y las estrategias de síntesis actuales implican la transesterificación de triacilgliceroles de aceites vegetales. Sin embargo, los aceites vegetales tienen una limitación importante en la disponibilidad de suministros de semillas oleaginosas a precios competitivos, lo que lleva a un interés en la síntesis directa de ésteres metílicos de ácidos grasos en bacterias. Este proceso evita la transesterificación, lo que lleva a mayores rendimientos energéticos y menor costo de producción. ^{[ 3 ]} Uno de los principales obstáculos en la producción de biocombustibles viables es que la proporción máxima de mezcla de biocombustible a petróleo está entre el 10% y el 20%. Los biocombustibles actuales no son compatibles con motores de alto rendimiento y bajas emisiones y se requerirían cambios costosos en la infraestructura y remodelación del motor. Un estudio de la Universidad de Exeter buscó superar este obstáculo mediante la producción de biocombustibles que puedan reemplazar los combustibles fósiles actuales por medios sostenibles, concretamente, la producción de n- alcanos, isoalcanos y n- alquenos, ya que estos son los hidrocarburos que componen los combustibles para el transporte que se comercializan actualmente. El estudio encontró sustratos adecuados para la producción de los hidrocarburos mencionados mediante el complejo de la reductasa de ácidos grasos (FAR) de P. luminescens . ^{[ 4 ]}Un estudio publicado en Biotechnology for Biofuels utilizó S. cerevisiae para producir biodiésel de ésteres alquílicos de cadena corta y ramificada mediante ingeniería metabólica . Se eliminaron los reguladores negativos del gen INO1 , Rpd3 y Opi1 para potenciar la capacidad de S. cerevisiae de producir ésteres de ácidos grasos. Para aumentar la producción de precursores de alcohol, se sobreexpresaron cinco enzimas de la vía del isobutanol . ^{[ 5 ]}

El aumento de la demanda de insulina recombinante puede explicarse por el incremento del número de pacientes diabéticos a nivel mundial, así como por métodos de administración alternativos como la inhalación y la vía oral, que requieren dosis más altas. ^{[ 6 ]} Mediante el uso de la tecnología de ADN recombinante , E. coli puede utilizarse para la producción de insulina humana. La biosíntesis de insulina dentro del cuerpo humano confiere una ventaja significativa sobre la síntesis bovina o porcina, que a menudo son inmunogénicas en pacientes diabéticos. ^{[ 7 ]} Para lograr esto, los genes sintéticos de la insulina humana se fusionan con el gen de la β-galactosidasa de E. coli , donde se transcriben y finalmente se traducen en proteínas. ^{[ 8 ]} El factor limitante para el uso de microorganismos como E. coli en la biosíntesis de productos génicos como la insulina es el tiempo, pero debido a los avances en la síntesis de oligonucleótidos y la cromatografía líquida, el tiempo de producción necesario para los fragmentos de ADN se ha reducido considerablemente. ^{[ 9 ]} La insulina humana recombinante fue aprobada por primera vez para ensayos clínicos en 1980. En ese momento, las cadenas A y B de la insulina se producían por separado y luego se unían químicamente. ^{[ 10 ]} La unión de las dos cadenas a menudo se realizaba mediante oxidación con aire con baja eficiencia. Un estudio de 1978 realizado por Goedell et al. logró con éxito la unión correcta de las cadenas A y B mediante derivados S-sulfonados y un exceso de la cadena A, lo que resultó en una unión correcta del 50-80%. ^{[ 8 ]} Los avances recientes han permitido sintetizar las cadenas juntas insertando el gen de la proinsulina humana en células de E. coli , que producen proinsulina mediante fermentación. ^{[ 10 ]}

• Genes sintetizados químicamente para la insulina humana
• Síntesis de moléculas de combustible personalizadas que replican el petróleo mediante la modificación dirigida de los grupos de ácidos grasos libres en Escherichia coli.
• Ingeniería metabólica de Saccharomyces cerevisiae para la producción de biodiésel a partir de ésteres alquílicos de ácidos grasos de cadena corta y ramificada.
• Trabajo destacado de Ginkgo Bioworks