Ingeniería metabólica para la producción de glicolípidos

Los glicolípidos son moléculas con alto valor añadido, dadas sus propiedades anfipáticas, que las involucran en diferentes procesos celulares importantes, a la vez que les confieren muchas posibles aplicaciones, como bio-surfactantes, o adyuvantes en vacunas, por ejemplo.

Los glicoesfingolípidos (GLS) son un grupo de glicolípidos que contienen una ceramida (lípido) unida a un glúcido. La α-galactosilceramida es un GLS con potentes propiedades immunoestimulantes, que la hacen muy interesante para su utilización en aplicaciones biomédicas. Sin embargo, su producción es difícil, al tratarse de una compleja síntesis química, regio y estereoespecífica.

En este contexto, el Dr. Marc Caballé ha realizado su tesis doctoral en IQS, bajo el título A metabolic engineering approach for α-galactosylceramide production in S. Cerevisiae, bajo la dirección de la Dra. Magda Faijes y del Dr. Antoni Planas, en el Laboratorio de Bioquímica del Departamento de Bioingeniería de IQS School of Engineering.

La ingeniería metabólica se basa en el uso de una plataforma biológica que provee los precursores necesarios para la síntesis de la molécula deseada. La tesis del Dr. Caballé ha formado parte del proyecto Glycodesign (dentro del Plan nacional de I+D del Ministerio de Ciencia e Innovación), con el objetivo de obtener la α-galactosilceramida  mediante la modificación de la levadura S. cerevisiae. Esto ha implicado:

1. Rediseñar el metabolismo del huésped para la redirección de la producción lipídica hacia fitoceramida,
2. Implementar las modificaciones generando nuevas cepas de levadura,
3. Identificar una α-galactosilceramida sintasa que era desconocida.
4. Y finalmente, expresar este enzima en el huésped modificado, considerando los diferentes compartimentos celulares de la levadura.

Hacia la obtención de la α-galactosilceramida

Por lo que se refiere a la ingeniería metabólica, la levadura S. cerevisiae es capaz de producir los precursores necesarios para obtener el glicolípido deseado: el azúcar nucleótido de galactosa y el lípido fitoceramida. Se han rediseñado cepas con la sobreexpresión de los genes ICS1 y SUR2 y la eliminación del gen SCS7, para incrementar la disponibilidad de la fitoceramida.

Por lo que se refiere a la identificación del enzima clave para la síntesis del glicolípido, se identificó por primera vez el enzima específico, que era desconocido hasta ahora. Sabiendo que Bacteroides fragilis, presente en la microbiota intestinal humana, produce galactosilceramida, se realizó un análisis bioinformático de los 83 posibles enzimas glicosiltransferasas de la familia GT4 de CAZy – Carbohydrate Active Enzymes. De estos, se identificaron cuatro enzimas potenciales y se expresaron en E.coli, siendo el BF9343­_3149 el único capaz de producir galactosilceramida con el enlace alfa glicosídico deseado.

Como conclusión, la investigación del Dr. Caballé ha permitido la caracterización de un nuevo enzima capaz de producir la α-galactosilceramida, glicolípido de gran interés por su efecto inmunoestimulante y sus aplicaciones como adyuvante de vacunas, abriendo así la puerta a futuros proyectos y nuevas investigaciones con el nuevo enzima descubierto.

Publicación relacionada

Marc Caballé, Magda Faijes, Antoni Planas, Characterization of a Glycolipid Synthase Producing α-Galactosylceramide in Bacteroides fragilis, Int. J. Mol. Sci. 2022, 23(22), 13975

Esta tesis ha sido financiada mediante una ayuda predoctoral FI de la Generalitat de Catalunya y del Fondo Social Europeo, y con el proyecto PID2019-104350RB-I00 del Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN).