Desbloqueando os potenciais da fotossíntese de cianobactérias para converter diretamente dióxido de carbono em glicose

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 3425 (2023) Citar este artigo

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A glicose é o monossacarídeo mais abundante, servindo como fonte de energia essencial para as células em todos os domínios da vida e como matéria-prima importante para a indústria de biorrefinaria. A rota vegetal-biomassa-açúcar domina o suprimento atual de glicose, enquanto a conversão direta de dióxido de carbono em glicose por meio da fotossíntese não é bem estudada. Aqui, mostramos que o potencial de Synechococcus elongatus PCC 7942 para a produção fotossintética de glicose pode ser desbloqueado impedindo a atividade nativa da glucoquinase. O nocaute de dois genes da glucoquinase causa acúmulo intracelular de glicose e promove a formação de uma mutação espontânea no genoma, que eventualmente leva à secreção de glicose. Sem catálise heteróloga ou genes de transporte, a deficiência de glucoquinase e a mutação genômica espontânea levam a uma secreção de glicose de 1,5 g/L, que é posteriormente aumentada para 5 g/L por meio de engenharia metabólica e de cultivo. Essas descobertas destacam as plasticidades do metabolismo das cianobactérias e demonstram suas aplicações para apoiar a produção fotossintética direta de glicose.

A glicose é a molécula de monossacarídeo mais abundante na natureza. A degradação da glicose fornece energia e materiais de carbono nas células em todos os domínios da vida, alimentando a maquinaria celular por diversas vias glicolíticas, incluindo a via Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), a via da pentose fosfato oxidativa (OPP) e a via Entner – Via Doudoroff (ED)1,2. Como monômeros, a glicose e seus derivados também estão envolvidos na síntese de várias macromoléculas e componentes celulares3,4. Além disso, a glicose também serve como matéria-prima importante na indústria de biorrefinaria, apoiando o cultivo de múltiplas fábricas de células microbianas para a biomanufatura verde de combustíveis, produtos químicos e farmacêuticos5,6,7. Na natureza, a glicose é sintetizada principalmente através da fotossíntese de plantas e algas e existe como monômeros de polissacarídeos na biomassa de plantas/algas, por exemplo, celulose e amido. A rota planta-biomassa-açúcar domina a atual oferta massiva de glicose, cuja viabilidade econômica é influenciada por múltiplos parâmetros, como ciclos planta-cultivo, raio de coleta de biomassa e custos de pré-tratamento8,9,10,11.

Tendo como pano de fundo a crise climática global e o agravamento da escassez de alimentos, seria valioso desenvolver rotas de produção de glicose mais eficientes, contínuas e industriais12,13. Nos últimos anos, a conversão direta de dióxido de carbono em glicose, precursores de glicose e polímeros de glicose foi alcançada por rotas químico-bioquímicas, eletroquímico-biológicas e enzimáticas em cascata in vitro14,15,16. Em contraste, a produção contínua de glicose não foi ligada com sucesso diretamente à fotossíntese. Em fotoautotróficos, por exemplo, plantas superiores e algas, a glicose é sintetizada como armazenamento de carbono e energia e desempenha importantes funções regulatórias. O metabolismo da glicose possui interações complexas com os fotossistemas, perturba a síntese e o metabolismo dos pigmentos e pode até inibir as atividades fotossintéticas17,18,19; assim, a glicose livre raramente é sintetizada ou acumulada em excesso no metabolismo celular fotossintético. Em cianobactérias, um grupo de microalgas procarióticas oxigênicas, algum progresso foi feito para facilitar a síntese direta e a secreção de açúcares naturais ou não naturais por meio de manipulações genéticas20,21,22. No entanto, a produção fotossintética de glicose ainda não foi bem estudada. As cepas recombinantes só podem produzir quantidades limitadas de glicose acompanhadas pela produção de outros açúcares, sugerindo que mecanismos mais detalhados do metabolismo da glicose em fotoautotróficos ainda precisam ser divulgados23,24.

Neste trabalho, pretendemos projetar uma conversão direta e estável de dióxido de carbono em glicose por meio da fotossíntese de cianobactérias. Em um modelo de cianobactéria Synechococcus elongatus PCC 7942 (doravante PCC 7942 para abreviar), identificamos a atividade nativa da glucoquinase como o gargalo que restringe o potencial de metabolismo para a síntese de glicose. O nocaute direcionado de dois genes de glucoquinase perturba o metabolismo de carboidratos e ativa um fluxo metabólico em direção à glicose através da rede de metabolismo da sacarose, que geralmente é considerada uma resposta especializada ao estresse osmótico. A síntese aumentada de glicose promove o enriquecimento de uma mutação genômica espontânea específica no cromossomo do PCC 7942, que facilita a secreção eficiente de glicose. Ao implementar várias abordagens ômicas combinadas com manipulações genéticas sistemáticas, esclarecemos os caminhos e mutações que levam à síntese e secreção de glicose e otimizamos os desempenhos de síntese de glicose das cepas recombinantes. Por meio da engenharia metabólica subsequente e da otimização do cultivo, a glicose secretada pela cepa modificada ultrapassa 5 g/L durante o cultivo de longo prazo, respondendo por até 70% da fonte fixa de carbono.