Engenharia metabólica para biossíntese de produtos naturais de plantas em microrganismos
EDILSON LEAL DA CUNHA
ENGENHARIA METABÓLICA PARA BIOSSÍNTESE DE PRODUTOS NATURAIS DE PLANTAS EM MICRORGANISMOS
INTRODUÇÃO
Os produtos naturais (NPs) de plantas além da função vital também demonstram atividades farmacológicas.
A reconstrução da via biossintética em microrganismos heterólogos oferece promessa significante para criação de meios para prover quantidade suficiente de um desejado produto. Assim a engenharia metabólica provém a plataforma tecnológica para aumento da produção de produtos naturais.
As principais ferramentas utilizadas são: Biossíntese combinatorial, expressão de elementos regulatórios e engenharia de proteínas de P450S.
Os produtos naturais secundários são o alvo principal das pesquisas, principalmente quanto à produção de fármacos, mas há necessidade de investimentos altos para descoberta de vias sintéticas para produção de medicamentos a partir de NPs principalmente devido a alta complexidade molecular, e exigência de muitas etapas para a síntese.
A extração a partir da planta nativa seria uma alternativa, mas a planta nem sempre apresenta concentrações satisfatórias, além do que algumas exigem longos períodos de crescimento, para eliminar esse problema, lança-se mão da cultura de células e tecidos.
A biossíntese de material biológico e químico por microrganismos recombinantes, surge como alternativa competitiva com as tradicionais rotas baseadas em processos químicos. Técnicas como Metagenômica, Transcriptômica, Proteômica, Metabolômica e Fenômica são necessárias para identificar os genes envolvidos, enzimas, metabólitos de plantas e vias biossintéticas de NPs.
Hoje os principais microrganismos envolvidos na engenharia metabólica são: E. coli e S. cerevisiae. Para a biologia sintética, o sistema hierárquico utilizado na engenharia computacional, serve como um modelo análogo para a construção de células.
O Esquema proposto por E., Basu S.; Karig D.K.; Weir R. “ Synthetic biology: new engineering rules for an emerging discipline. Andrianantoandro”. Molecular Systems Biology p. 2:2006, é um exemplo de engenharia metabólica, no qual circuitos metabólicos são desenhados, suas dimensões e materiais básicos são calculados, suas peças básicas são encaixadas e postas a funcionar em uma bactéria, que passa a ser denominada de fábrica biológica.
CONCEITOS
ÔMICAS: Plataformas tecnológicas cujo objetivo é caracterizar e isolar o maior número possível de biomoléculas de um mesmo grupo.
GENÔMICA: Com as informações obtidas até hoje, apenas os métodos computacionais não são suficientes para gerar um número real de genes de um genoma eucariótico. As diferenças entre fenótipos surgem dos mecanismos de modificações pós transcricionais nas inúmeras transformações pós transducionais que ocorrem com as diferentes proteínas na produção e utilização dos inúmeros metabólitos como cofatores enzimáticos e nos mecanismos que regulam esses processos. Modificações transcrisionais ex. Splicing alternativo: Produção de RNAm diferente do esperado, a partir de um RNA nuclear (RNAnh) heterólogo comum. Modificações pós transducionais: Alterações na sequência de aa récem traduzida (Clivagem proteolítica) ou inserção de grupos acetil, fosforil, metil, etc. Ou grupos prostéticos, ex. heme da Hb.
TRANSCRIPTÔMICA: É o termo dado ao produto inicial da expressão gênica de um organismo. Ou seja, o conjunto de RNAm que codificam as informações que a célula precisa em um determinado momento.
PROTEÔMICA: Analisa a expressão de proteínas. Proteoma é o conjunto de proteínas expressas por um organismo ou tecido em um determinado momento sob condições específicas. Devido às inúmeras modificações pós transcrisionais e pós transducionais, o número de proteínas produzido excede o número de genes que o organismo possui. A análise das proteínas depende de extração, purificação, visualização, identificação e quantificação.
METABOLÔMICA: É o estudo dos metabólitos, que são pequenas moléculas que atuam como substratos, inibidores ou ativadores alostéricos de uma enzima, ou precursores de moléculas importantes nas inúmeras rotas metabólicas celulares, ou usados como defesa.
Os metabólitos podem ser: Primários e secundários
Primários: São diretamente envolvidos nas rotas de síntese e degradação de macromoléculas em qualquer ser vivo (Dixon, 2001).
Secundários: São mais comuns em plantas e fungos e atuam como componentes estruturais, defesas, atrativos para polinizadores e agentes nas interações interespecíficas como alelopatia (Engel et al., 2002; Challis e Hopwood, 2003)
ENGENHARIA DA BIOSSÍNTESE DE ISOPRENÓIDES
Isoprenóides ou terpenóides: Taxol, licopeno, artemisina.
Taxol: (Taxus brevifolia), usado no tratamento do cancer de ovário e metastases. Sua produção é baseada em rotas semissintéticas que converte quimicamente um paclitaxel intermediário isolado de plantas ou cultura de células de várias espécies de Taxus
Artemisina: (Artemisia anna), ocorre no Sudeste Asiático. Droga antimalárica com uso em P. falciparum resistente a drogas, para produção foram inseridas porções do genoma da planta que sintetiza a artemisina em Escherichia coli, o que permite produzi-la pela metade do custo.
Licopenos: Subfamília de isoprenóides, pigmentos amarelo, laranja e vermelho sintetizados em bactérias, fungos, algas e usados em alimentos como corantes e suplementos alimentares, em cosméticos, e mais recentemente como substâncias antioxidantes.
ENGENHARIA DA BIOSSÍNTESE DE FENILPROPANÓIDES
Fenilpropanóides: São diversos grupos de metabólitos secundários de plantas derivados da condensação de várias malonil-coenzima A, e unidades derivadas de FA e TYR. Possuem atividades antioxidantes, estrogênicas, antiviral, antibacteriana, e anticancer.
Flavonóides: E. coli e S. cerevisiae são usados na engenharia metabólica das vias recombinantes dos flavonóides.
ENGENHARIA DA BIOSSÍNTESE DE ALCALÓIDES
Alcalóides: Compostos nitrogenados com várias aplicações farmacológicas: Analgésicas, estimulantes e quimioterapeuticas.
O processo de formação dos alcalóides é controlado geneticamente, e dessa forma uma planta produtora de alcalóide é meramente aquela na qual a reação metabólica adicional evoluiu por mutação de um ou mais genes.
A formação de alcalóides pode ser descrita como um processo metabólico envolvendo sequências relacionadas que são iniciadas com substâncias normais e essenciais para o metabolismo da planta.
A engenharia genética baseada no uso de cultura de células e tecidos de plantas, tenta reconstruir a biossíntese desses compostos
CONCLUSÕES
Os grandes avanços tecnológicos na descoberta de novos fármacos e a produção em larga escala de fármacos já concebidos e utilizados na terapêutica de doenças, requerem uso de novas tecnologias com a finalidade de otimizar a produção levando à descoberta de ferramentas importantes para esse fim.
A engenharia da biossíntese de produtos naturais, utilizando novas rotas ou modificando rotas já conhecidas, e o uso de microrganismos potencialmente capazes de adquirir geneticamente a capacidade de síntese que as plantas superiores possuem. E assim em laboratório poderão ser reproduzidas as vias metabólicas utilizadas para a síntese de produtos naturais.
REFERÊNCIAS
DIXON, R. A. Natural products and plant disease resistance. Nature, 411:843–847, 2001.
CHALLIS,G.L.; HOPWOOD, D.A. Synergy and contingency as driving forces for the evolution of multiples secondary metabolite production by Strptomyces species. Protein nucleotide acids, vol.100, p. 14555-14561, 2003
Autor: Edilson Leal Da Cunha
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