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La contaminación por petróleo se encuentra entre las causas más graves de contaminación ambiental y afecta en gran medida a los ecosistemas, las empresas y las comunidades 3. Por ejemplo, se requieren soluciones para combatir la continua contaminación por petróleo que se origina en las arenas bituminosas que resiguen las aguas de cola en Alberta, Canadá. Durante el proceso de extracción de petróleo de las arenas bituminosas, el betún, una forma oxidada semisólida de petróleo, se elimina utilizando técnicas de recuperación térmica que consumen alrededor de 3,1 barriles de agua por barril de petróleo 1. El agua de proceso contaminada con petróleo, que se origina principalmente en un río local, se almacena en estanques de relaves después de la extracción de betún. Es necesario un reciclaje más eficaz del agua de proceso para reducir la necesidad de absorción de agua dulce. Para facilitar la extracción de betún y garantizar que los sitios aguas abajo cumplan con las pautas de calidad del agua para la protección de los ecosistemas acuáticos, los tratamientos de agua de proceso están evolucionando rápidamente 3.
Para tratar la contaminación de compuestos orgánicos, actualmente se fomentan las tecnologías de biorremediación que emplean microorganismos 1. Los alcanos son la familia más abundante de hidrocarburos en el petróleo crudo, conteniendo de 5 a 40 átomos de carbono por molécula 7, 21. Se sabe que muchas bacterias degradan alcanos de varias longitudes a través de la oxidación secuencial del grupo metilo terminal, formando primero alcoholes, luego aldehídos y finalmente ácidos grasos. Dentro de este proyecto iGEM se expresaron y caracterizaron varias enzimas de diferentes organismos, y se pusieron a disposición a través del estándar BioBrick y el Registro de Partes Biológicas Estándar.
El bien estudiado sistema de alcano hidroxilasa de Gordonia sp. TF6 facilita el paso inicial de oxidación de los alcanos C5-C 13 junto con el de los cicloalcanos C5-C 8 utilizando un mínimo de cuatro componentes: alkB2 (alcano 1-monooxigenasa), rubA3, rubA4 (dos rubredoxinas) y RubB (rubredoxina reductasa) 8, 21. Se ha informado que la oxidación de alcanos de cadena larga (que van desde C15 hasta C36) es realizada por ladA, una flavoproteína alcano monooxigenasa de Geobacillus thermodinitrificans NG-80-2 7, 15, 18, 22. LadA forma un complejo catalítico con mononucleótido de flavina (FMN) que utiliza el oxígeno atómico para la oxidación. Esto da como resultado la conversión de alcanos en el alcanol primario correspondiente. Los alcoholes son oxidados por el alcohol y los aldehídos deshidrogenasas a ácidos grasos, que entran fácilmente en la vía de β-oxidación 7, 21. Una alcohol deshidrogenasa independiente del zinc de la bacteria termófila Geobacillus thermoleovorans B23 oxida los alcanoles de cadena media en sus respectivos alcanos, utilizando NAD+ como cofactor 10. La aldehído deshidrogenasa de la misma bacteria es capaz de catalizar el paso final dependiente de NAD+ en la oxidación de cadena media 11.
Con el fin de reducir los costos de inducción y mantener una proliferación óptima del sistema bacteriano, se caracterizó el promotor pCaiF de E.coli. Este promotor puede regular la expresión de los componentes de la vía de degradación de hidrocarburos, y está regulado por los niveles de AMPc-Crp, que a su vez dependen de los niveles de glucosa 6. A altas concentraciones de glucosa extracelular en el medio ambiente, el nivel celular de AMPc (fosfato mononucleótido de adenosina cíclico) fue bajo debido a la inhibición de la adenilil ciclasa como efecto secundario del transporte de glucosa mediado por PTS. Por el contrario, durante la limitación (bajas concentraciones de glucosa) el nivel de AMPc aumentó y la Crp se unió al AMPc formando el complejo, cAMP-Crp, que se unió a pCaiF y activó la transcripción de los componentes posteriores 6, 14.
La E. coli de tipo salvaje solo puede tolerar concentraciones moderadas de hidrocarburos. Para completar el conjunto de herramientas, hubo que abordar la tolerancia a los hidrocarburos. Se sabe que varias bacterias orgánicas tolerantes a solventes sobreviven en sistemas bifásicos de agua-solvente 12. Los componentes moleculares conocidos por aumentar la tolerancia son chaperonas que facilitan el correcto plegamiento de las proteínas. Se demostró que el sistema de prefoldina de Pyrococcus horikoshii OT3, compuesto por las proteínas phPFDα y phPFDβ, aumenta la tolerancia a los hidrocarburos 17.
El kit de herramientas de conversión de alcanos se construyó siguiendo el principio BioBrick, que está documentado en el Registro de Partes Biológicas Estándar 9. Los BioBricks son plásmidos que contienen un inserto funcional específico que está flanqueado por 4 sitios de restricción predefinidos. Los insertos BioBrick se pueden ampliar de forma flexible, lo que permite la construcción de sistemas biológicos con nuevas funciones.