Ingeniaritza metaboliko-en iturria ikusi

[[Fitxategi:Computational design and evaluation of DNA circuits to achieve optimal performance.svg|thumb|Prozesu metaboliko baten ingeniaritzaren urrats batzuk.]]
'''Ingeniaritza metabolikoa''' zelulen barruko prozesu [[Genetika|genetikoak]] eta erregulatzaileak optimizatzeko tekniken multzoa da, substantzia jakin baten [[Zelula|zelulen]] ekoizpena handitzeko. Prozesu horiek erreakzio biokimikoek eta [[Entzima|entzimek]] osatzen dituzten sare kimikoak dira. Hauek zelulei lehengaiak zelularen biziraupenerako beharrezkoak diren molekuletan bihurtzeko aukera ematen diete. Ingeniaritza metabolikoaren helburuak sare horiek matematikoki modelatzea, produktu erabilgarrien errendimendua kalkulatzea eta produktu horien ekoizpena mugatzen duten sareko zatiak adieraztea dira.<ref>{{Erreferentzia|izena=Yea-Tyng|abizena=Yang|izenburua=Genetic and metabolic engineering|abizena2=Bennett|abizena3=San|izena2=George N.|izena3=Ka-Yiu|data=1998|url=http://dx.doi.org/10.2225/vol1-issue3-fulltext-3|aldizkaria=Electronic Journal of Biotechnology|issn=0717-3458}}</ref> [[Ingeniaritza genetiko|Ingeniaritza genetikoko]] teknikak, beraz, sarea aldatzeko erabil daitezke muga horiek arintzeko helburuarekin. Beste behin, aldatutako sarea modelatu daiteke produktuaren errendimendu berria kalkulatzeko.

Ingeniaritza metabolikoaren azkeneko helburua organismo horiek industria-eskalan modu errentagarrian baliozko substantziak ekoizteko erabili ahal izatea da. Gaur egungo adibide batzuk [[Garagardo|garagardoaren]], [[Ardo|ardoaren]], [[Gazta|gaztaren]], [[Sendagai|farmakoen]] eta beste produktu [[Bioteknologia|bioteknologiko]] batzuen ekoizpena dira.<ref>{{Erreferentzia|izena=N.|abizena=Milne|izenburua=Metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae for the de novo production of psilocybin and related tryptamine derivatives|orrialdeak=25–36|abizena2=Thomsen|abizena3=Mølgaard Knudsen|abizena4=Rubaszka|abizena5=Kristensen|abizena6=Borodina|izena2=P.|izena3=N.|izena4=P.|izena5=M.|izena6=I.|data=2020-07|url=http://dx.doi.org/10.1016/j.ymben.2019.12.007|aldizkaria=Metabolic Engineering|zenbakia=60|issn=1096-7176|doi=10.1016/j.ymben.2019.12.007}}</ref> Ingeniaritza metabolikorako erabili ohi diren estrategietako batzuk hauek dira: (1) bidezidor biosintetikoaren abiadura mugatzen duen entzima kodetutako genearen gainadierazpena, (2) bide metaboliko lehiakideen blokeoa, (3) adierazpen genetiko heterologoa eta (4) ingeniaritza entzimatikoa.<ref>{{Erreferentzia|izena=R|abizena=Kulkarni|izenburua=Metabolic engineering|orrialdeak=233–237|data=2016-03|url=http://dx.doi.org/10.1007/s12045-016-0318-4|aldizkaria=Resonance|alea=3|zenbakia=21|issn=0971-8044|doi=10.1007/s12045-016-0318-4}}</ref>

Zelulek bidezidor metaboliko horiek erabiltzen dituztenez bizirauteko, aldaketek eragin drastikoak izan ditzakete zelulen bideragarritasunean. Hortaz, ingeniaritza metabolikoan intereseko substantziaren ekoizpenaren eta zelulen bideragarritasunaren arteko orekak bilatu behar dira. Horregatik, entzima metabolikoak kodetzen dituzten geneak zuzenean ezabatu edota gainadierazi beharrean, gaur egungo xedea zelulen sare erregulatzaileetan ardaztea da, metabolismoa eraginkortasunez diseinatzeko.<ref>{{Erreferentzia|izena=Goutham N.|abizena=Vemuri|izenburua=Metabolic Engineering in the -omics Era: Elucidating and Modulating Regulatory Networks|orrialdeak=197–216|abizena2=Aristidou|izena2=Aristos A.|data=2005|url=http://dx.doi.org/10.1128/mmbr.69.2.197-216.2005|aldizkaria=Microbiology and Molecular Biology Reviews|alea=2|zenbakia=69|issn=1092-2172|doi=10.1128/mmbr.69.2.197-216.2005}}</ref>

== Historia eta aplikazioak ==
[[Fitxategi:Epithelial-cells.jpg|thumb|Metabolismo zelularra optimizatua izan daiteke industria mailan erabiltzeko. ]]

Iraganean, intereseko [[Metabolito sekundario|metabolito]] baten produktibitatea handitzeko, [[Mikrobio|mikroorganismo]] bat genetikoki aldatzen zen kimikoki induzitutako [[mutazio]] baten bidez. Ondoren, aukeratzen zen intereseko metabolitoa gainadierazten zuen [[andui]] mutantea.<ref name=":0">{{Erreferentzia|izena=Néstor V.|abizena=Torres|izenburua=Pathway Analysis and Optimization in Metabolic Engineering|argitaletxea=Cambridge University Press|abizena2=Voit|izena2=Eberhard O.|data=2002-12-19|url=http://dx.doi.org/10.1017/cbo9780511546334|isbn=978-0-521-80038-9}}</ref> Hala ere, teknika horren arazo nagusietako bat zen ez zela metabolito hori ekoizteko bide metabolikoa aztertzen, eta, ondorioz, ez ziren ezagutzen ekoizpenaren mugak eta aldatu behar ziren bide metabolikoaren entzima garrantzitsuak.<ref name=":0" />

1990eko hamarkadan ingeniaritza metabolikoa izeneko teknika berri bat sortu zen. Teknika honek [[Mikrobio|mikroorganismo]] baten ibilbide metabolikoa aztertzen du eta ekoitzi nahi diren konposatuen produkzioan dituen mugak eta ondorioak zehazten ditu. Ostean, ingeniaritza genetikoa erabiltzen da muga horiek arintzeko. Ingeniaritza metabolikoaren arrakastaren adibide batzuk honako hauek dira; (i) ''[[Corynebacterium glutamicum]]''-en [[lisina]] ekoizteko mugak identifikatzea eta [[gene]] berriak txertatzea muga horiek arintzeko eta ekoizpena hobetzeko<ref>{{Erreferentzia|izena=Stephanopoulos, G.|abizena=N.|izenburua=Metabolic engineering : principles and methodologies|url=http://worldcat.org/oclc/1012527921|isbn=0-12-666260-6|pmc=1012527921}}</ref>, (ii) alderantzizko [[Beta oxidazio|beta-oxidazioa]] deritzon [[Gantz-azido|gantz-azidoen]] [[Biosintesi|biosintesirako]] bide berri baten diseinua, zeina bide natiboa baino eraginkorragoa den [[Gantz-azido|gantz-azidoen]] eta [[Alkohol|alkoholen]] ekoizpenean, geroago produktu kimiko eta erregaietan katalitikoki bihur daitezkeenak<ref>{{Erreferentzia|izena=Clementina|abizena=Dellomonaco|izenburua=Engineered reversal of the β-oxidation cycle for the synthesis of fuels and chemicals|orrialdeak=355–359|abizena2=Clomburg|abizena3=Miller|abizena4=Gonzalez|izena2=James M.|izena3=Elliot N.|izena4=Ramon|data=2011-08|url=http://dx.doi.org/10.1038/nature10333|aldizkaria=Nature|alea=7360|zenbakia=476|issn=0028-0836|doi=10.1038/nature10333}}</ref>, (iii) ''[[Escherichia coli|E. coli]]''-k sortutako [[DAHP]] metabolito [[Aromatikotasun|aromatikoaren]] ekoizpena hobetzea, zeina [[aminoazido]] aromatikoak ekoizteko bitartekari bat den.<ref>{{Erreferentzia|izena=R|abizena=Patnaik|izenburua=Engineering of Escherichia coli central metabolism for aromatic metabolite production with near theoretical yield|orrialdeak=3903–3908|abizena2=Liao|izena2=J C|data=1994-11|url=http://dx.doi.org/10.1128/aem.60.11.3903-3908.1994|aldizkaria=Applied and Environmental Microbiology|alea=11|zenbakia=60|issn=0099-2240|doi=10.1128/aem.60.11.3903-3908.1994}}</ref> Fluxu metabolikoaren analisiaren bitartez, DAHPren errendimendu maximo teorikoa erabilitako [[glukosa]] molekula bakoitzeko 3/7 zela zehaztu zen. Horren arrazoia da glukosaren [[Karbono|karbonoaren]] zati bat [[karbono dioxido]] gisa galtzen dela, DAHP ekoizteko erabili beharrean. Gainera, DAHP ekoizteko erabiltzen den metabolitoetako bat (PEP edo [[Fosfoenolpirubato|fosfoenolpirubatoa]]) [[Azido pirubiko|pirubatoan]] (PYR) bihurtzen ari zen glukosa zelularen barrura garraiatzeko, eta, beraz, ez zen erabilgarria DAHP ekoizteko. PEP-ren eskasia arintzeko eta errendimendua hobetzeko, Patnaik et al. ''E. coli''-n ingeniaritza genetikoa erabili zuten PYR berriro PEP bihurtzen duen erreakzio bat sartzeko. Horrela, glukosa zelularen barrura garraiatzeko erabiltzen zen PEP birsortzen da eta DAHP fabrikatzeko erabil daiteke. Honen bitartez 6/7-ko errendimendu teoriko berri bat lortu zen, ''E. coli'' sistema natiboaren bikoitza. 

Industria mailan, ingeniaritza metabolikoa gero eta egokiagoa eta errentagarriagoa da. [[Bioteknologiaren Industriaren Erakundea|Bioteknologiaren Industriaren Erakundearen]] arabera, "eraikitzen ari dira 50 [[biofindegi]] instalazio baino gehiago Ipar Amerika osoan, ingeniaritza metabolikoa aplikatzeko [[biomasa]] berriztagarritik abiatuta bioerregaien eta produktu kimikoen ekoizpenari, [[Berotegi-efektuko gas|berotegi-efektuko gasen]] emisioak murrizten lagun dezaketenak". [[Bioerregai]] potentzialek kate laburreko [[Alkohol|alkoholak]] eta [[Alkano|alkanoak]] ([[gasolina]] ordezkatzeko), gantz-azidoen eta gantz-alkoholen [[ester metilikoak]] ([[Gasolio|gasolioa]] ordezkatzeko) eta gantz-azidoetan eta [[Isoprenoide|isoprenoideetan]] oinarritutako bioerregaiak ([[Gasolio|gasolioa]] ordezkatzeko) barne hartzen dituzte.<ref>{{Erreferentzia|izena=Pamela P.|abizena=Peralta-Yahya|izenburua=Advanced biofuel production in microbes|orrialdeak=147–162|abizena2=Keasling|izena2=Jay D.|data=2010-01-18|url=http://dx.doi.org/10.1002/biot.200900220|aldizkaria=Biotechnology Journal|alea=2|zenbakia=5|issn=1860-6768|doi=10.1002/biot.200900220}}</ref>

Ingeniaritza metabolikoak eboluzionatzen jarraitzen du eraginkortasunari eta prozesuei dagokienez, [[biologia]] sintetikoaren arloko aurrerapenen eta metabolitoek eragindako kalteak ulertzeko eta konpontzeko edo prebenitzeko aurrerapenen laguntzari esker. Ingeniaritza metabolikoko lehen esperimentuek frogatu zuten [[Bitartekari erreaktibo|bitartekari erreaktiboen]] metaketak diseinatutako bideetan fluxua mugatu dezakeela eta [[Ostalari (biologia)|zelula ostalarientzat]] kaltegarria izan daitekeela kalteak kontrolatzeko sistemak falta badira edo desegokiak badira.<ref>{{Erreferentzia|izena=Vincent J J|abizena=Martin|izenburua=Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for production of terpenoids|orrialdeak=796–802|abizena2=Pitera|abizena3=Withers|abizena4=Newman|abizena5=Keasling|izena2=Douglas J|izena3=Sydnor T|izena4=Jack D|izena5=Jay D|data=2003-07-01|url=http://dx.doi.org/10.1038/nbt833|aldizkaria=Nature Biotechnology|alea=7|zenbakia=21|issn=1087-0156|doi=10.1038/nbt833}}</ref><ref>{{Erreferentzia|izena=Sydnor T.|abizena=Withers|izenburua=Identification of isopentenol biosynthetic genes from Bacillus subtilis by a screening method based on isoprenoid precursor toxicity|orrialdeak=6277–6283|abizena2=Gottlieb|abizena3=Lieu|abizena4=Newman|abizena5=Keasling|izena2=Shayin S.|izena3=Bonny|izena4=Jack D.|izena5=Jay D.|data=2007-10|url=http://dx.doi.org/10.1128/aem.00861-07|aldizkaria=Applied and Environmental Microbiology|alea=19|zenbakia=73|issn=0099-2240|PMID=17693564|PMC=2075014|doi=10.1128/aem.00861-07}}</ref> [[Biologia sintetikoa|Biologia sintetikoaren]] ikertzaileek bide genetikoak optimizatzen dituzte, eta horiek eragina dute emaitza metaboliko zelularretan. [[Azido desoxirribonukleiko|DNA]] sintetizatuaren kostuaren azken aldiko jaitsierak eta [[Zirkuitu biologiko sintetikoa|zirkuitu genetikoen]] aurrerapenek ingeniaritza metabolikoaren bitartez lortu nahi diren emaitzak lortzeko duen gaitasunean laguntzen dute.<ref>{{Erreferentzia|izena=Gregory|abizena=Stephanopoulos|izenburua=Synthetic Biology and Metabolic Engineering|orrialdeak=514–525|hizkuntza=en|data=2012-11-16|url=https://pubs.acs.org/doi/10.1021/sb300094q|aldizkaria=ACS Synthetic Biology|alea=11|zenbakia=1|issn=2161-5063|PMID=23656228|doi=10.1021/sb300094q}}</ref>

== Fluxu metabolikoaren analisia ==

=== Bide metabolikoen sorrera analisirako ===
Prozesuaren lehen urratsa, organismo baten metabolismoa hobetuz edo aldatuz lortu nahi den helburua finkatzea da. Helburu hori lortzeko, erreakzio eta bide metabolikoak ikertu behar dira eta horretarako, erreferentzia-liburuak eta online datubaseak erabiltzen dira; izan ere, datubase horiek informazio genomiko eta kimiko ugari daukate, baita metabolismoaren eta beste prozesu zelular batzuen bideak ere. Aurretik egindako ikerketatik abiatuta, organismo bat aukeratuko da; organismoaren bide metabolikoa nahi den bidetik hurbil egotea, organismoa mantetzeko kostuak eta organismoaren bidea aldatzeko erraztasuna kontuan hartuz. Adibidez, ''Esterichia coli'' ingenieritza metabolikoan asko erabiltzen den bakterioa da, batik bat, mantentzeko eta aldatzeko duen erraztasunagatik.<ref>University of California - Los Angeles (2008, December 18). "Genetic Modification Turns E. Coli Bacteria Into High Density Biofuel". ''ScienceDaily.'' Retrieved December 7, 2011, from https://www.sciencedaily.com/releases/2008/12/081218151652.htm</ref> Aukeratutako organismoak nahi den emaitza lortzeko bide osoa ez badu, falta diren entzimak sortzen dituzten geneak sartu behar zaizkio organismoari.

=== Bide metaboliko bat analizatzen ===
Produktuaren errendimendu teorikoa edo zelularen erreakzio-fluxuak aurkitzeko, ibilbide metaboliko osoa matematikoki molda daiteke. Fluxua, sarean erreakzio jakin batek jasaten duen abiadurari deritzo. Bide metabolikoen analisi errazak eskuz egin daitezke, baina gehienen kalkuluak egiteko informatika-programak beharrezkoak dira, programa horiek aljebra linealeko algoritmo konplexuak erabiltzen dituztelarik.<ref>Schellenberger, J., Que, R., Fleming, R., et al. (2011). "Quantitative prediction of cellular metabolism with constraint-based models: the COBRA Toolbox v2.0". ''Nature Protocols.'' 6(9):1290-1307</ref> Sare bat ebazteko, jarraian erakusten den sistema jakin batzuetarako ekuazioa erabiliko da. Ekuazioan, erreakzio garrantzitsuei eta horien fluxuei buruzko beharrezko informazioa sartzea ezinbestekoa da. Alde batetik, erreakzioari buruzko informazioa, hala nola, erreaktiboak eta estekiometria, G<sub>x</sub> eta G<sub>m</sub> matrizeetan dago. Bestetik, V<sub>m</sub> eta V<sub>x</sub> matrizeetan erreakzio garrantzitsuen fluxuak ageri dira, non ekuazioa ebaztean fluxu ezezagun guztien balioak ere egongo diren (V<sub>x</sub>-en daudenak). 

<math>V_x=({G_x})^{-1}*(G_m*V_m)</math>

=== Manipulazio genetiko optimoen zehaztea ===
Sareko erreakzioen fluxuak ebatzi ondoren, nahi den produktuaren errendimendua maximizatzeko zer erreakzio alda daitezkeen zehaztu behar da. Zer manipulazio genetiko espezifiko egin behar den zehazteko, algoritmo konputazionalak erabiltzen dira, hala nola, OptGene edo OptFlux.<ref>Rocha, I., Maia, P., Evangelista, P., et al. (2010). "OptFlux: an open-source software platform for in silico metabolic engineering". BMC Sys Biol. 45(4)</ref> Algoritmo horiek, geneak gainadierazi, ezabatu edo zelula batean sartu behar diren gomendatzen du, honen helburua, nahi den produktuaren ekoizpena handitzea izanik. Adibidez, erreakzio jakin baten fluxua baxua bada, produktuaren kantitatea mugatuz, software-ak erreakzio hori katalizatzen duen entzima zelulan gainadieraztea gomendatu dezake, erreakzioaren fluxua handitu nahian. Prozesu honetan egin beharreko manipulazio genetikoak biologia molekularreko teknika estandarren bidez egin daitezke. Geneak organismo batean gainadierazi edo ezaba daitezke, bidean duten eraginaren eta azken helburuaren arabera.<ref>Work, T.S., Hinton, R., Work, E., Dobrota, M., Chard, T. (1980). "Laboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology". v.8</ref>

=== Neurketa esperimentalak ===
Eredu ebazgarri bat sortzeko, sarritan beharrezkoa da dagoeneko ezagunak diren edo esperimentalki neurtuta dauden fluxu batzuk izatea. Gainera, manipulazio genetikoek sare metabolikoan duten eragina egiaztatzeko (ereduarekin lerrokatzen direla ziurtatzeko), sareko fluxuak esperimentalki neurtu behar dira. Erreakzio-fluxuak neurtzeko, [[karbono-13 markaketa isotopikoa]] duten karbono-fluxuen neurketak egiten dira.<ref>Wiechert, W. and de Graaf, A.A. (2000). "Bidirectional Reaction Steps in Metabolic Networks: Modeling and Simulation of Carbon Isotope Labeling Experiments". ''Biotechnol. Bioeng.'' 55(1):101-117</ref> Organismoa, karbono-12 atomoen ordez, karbono-13 atomoak dituzten molekulez osatutako nahasketa baten bidez elikatzen da. Molekula horiek sarean erabili ondoren, ondorengo metabolitoak ere karbono-13 karbonoekin markatzen dira, hauek haien egituretan barneratzen dituztelarik. Metabolitoen markaketa patroi espezifikoa sareko erreakzio-fluxuek zehazten dute eta markaketa patroi horiek neurtzeko, hainbat teknika erabil daitezke, esaterako, [[gas kromatografia-masa espektrometria]] (GC-MS).

== Erreferentziak ==
{{erreferentzia_zerrenda|30em}}

== Ikus, gainera ==
* [[Transformazio (genetika)|Bakterioen transformazioa]]
* [[Bioerreaktore|Bioerreaktorea]]
* [[Ingeniaritza genetiko|Ingeniaritza genetikoa]]
* [[Zirkuitu biologiko sintetikoa]]
* [[Biologia sintetikoa]]

== Kanpo estekak ==
* Biotechnology Industry Organization (BIO) -en weborria: https://www.bio.org/<nowiki/>

{{autoritate kontrola}}

[[Kategoria:Bioingeniaritza]]