A partir del descubrimiento de Eduard Buchner (c. 1900) de que un extracto de células de levadura podía convertir glucosa en etanol y CO2, un eje fundamental de la investigación bioquímica fue de deducir los pasos por los que se producía esta transformación y caracterizar cada una de las enzimas que los catalizaban.
A mediados del siglo XX, las diez enzimas de la vía glucolítica habían sido purificadas y caracterizadas. En los próximos 50 años se ha aprendido mucho sobre la regulación de estas enzimas. La sabiduría convencional era que en una vía metabólica lineal (tal como la glucólisis, la enzima de la vía cuya velocidad de catálisis es menor, constituía el paso más lento y por lo tanto, ese paso es el que determina la velocidad total, o flujo, a través de toda la vía. Para la glucólisis, la fosfofructoquinasa 1 (PFK-1) se consideró la enzima limitante de la velocidad, porque es una enzima ampliamente regulada.
Los invitamos a ver este video con la explicación básica de la glucólisis:
Con el advenimiento de la ingeniería genética, el sueño de poder obtener una gran cantidad de producto (por ejemplo etanol, si pensamos en la glucólisis) parecía estar al alcance de las manos, ¡solo debíamos aumentar la velocidad del paso lento!
Como todos ustedes saben, la velocidad de una enzima puede aumentarse si aumentamos su concentración.
En el siguiente link pueden incursionar sobre los contenidos de Cinética Básica:
Por lo tanto, con todas las nuevas herramientas y conocimientos, los científicos sobre-expresaron la PFK-1 en levaduras para obtener grandes cantidades de producto.
Para su sorpresa, sobre-expresar 5 veces la cantidad de PFK-1 solo aumentó la cantidad de etanol en un 10%.
Sin embargo, esta estrategia no fue un fracaso sino que permitió probar que “una única enzima no es determinante de la velocidad de una vía” y por lo tanto, se refutó la hipótesis de que mediante el aumento de la concentración de dicha enzima, el flujo a través de la vía aumenta proporcionalmente.
Parece que como ya hemos visto en muchas partes de la biología: Para un problema complejo hay siempre una solución simple (un solo paso determinante de la velocidad de una vía que incluye muchos) y esta suele ser incorrecta.
Ahora ha quedado claro para los científicos que en la mayoría de las vías, el control del flujo se distribuye entre varias enzimas, y la medida en que contribuye cada una al control metabólico varía con las circunstancias del suministro del material de partida (por ejemplo, glucosa), el suministro de oxígeno, la necesidad de otros productos derivados de los compuestos intermedios de la vía (por ejemplo, glucosa 6-fosfato para la vía de las pentosas fosfato en células que sintetizan grandes cantidades de nucleótidos), y el estado hormonal de el organismo (los niveles de insulina y glucagón), entre los otros factores.
¿Por qué estamos interesados en lo que limita el flujo de una vía?
Para entender la acción de las hormonas o drogas, o la patología que resulta de una falla de la regulación metabólica, debemos saber qué control ejerce sobre el flujo cada componente. Si los investigadores quieren desarrollar un fármaco que estimula o inhibe una vía, el objetivo lógico es la enzima que tiene el mayor impacto en el flujo a través de esa vía. Y la bioingeniería de un microorganismo para la sobreproducción de un producto comercial requiere el conocimiento de lo que limita el flujo hacia ese producto.
Ahora sí, veamos como los científicos lograron redireccionar las estrategias para poder aumentar el flujo de una vía metabólica.
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