Jay D. Keasling es profesor [ ambiguo ] de ingeniería química y bioingeniería en la Universidad de California, Berkeley . [2] También es director asociado de laboratorio de biociencias en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y director ejecutivo del Joint BioEnergy Institute . [3] Se le considera una de las principales autoridades en biología sintética , especialmente en el campo de la ingeniería metabólica .
Keasling fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ingeniería en 2010 por desarrollar herramientas de biología sintética para diseñar el fármaco antipalúdico artemisinina.
Keasling recibió su licenciatura en la Universidad de Nebraska-Lincoln , donde fue miembro de la Fraternidad Internacional Delta Tau Delta . Luego completó su doctorado en Filosofía en la Universidad de Michigan en 1991 bajo la supervisión de Bernhard Palsson . [4] Keasling realizó una investigación posdoctoral con Arthur Kornberg en la Universidad de Stanford en 1991-1992.
La investigación actual de Keasling [5] se centra en la ingeniería química dentro de los microorganismos, un área conocida como ingeniería metabólica, para la producción de sustancias químicas útiles o para la limpieza ambiental. De la misma manera que la química orgánica sintética e industrial ha permitido a los químicos e ingenieros químicos producir a partir de recursos de combustibles fósiles sustancias químicas que utilizamos todos los días, la ingeniería metabólica puede revolucionar la producción de algunas de las mismas sustancias químicas útiles y más a partir de recursos renovables, como el azúcar y la biomasa celulósica. Durante muchos años, el trabajo en ingeniería metabólica estuvo limitado por la falta de enzimas para realizar la química necesaria y de herramientas para manipular y monitorear la química dentro de las células. Al ver la necesidad de mejores herramientas genéticas, Keasling comenzó a trabajar en el desarrollo de herramientas genéticas, un área que ahora se conoce como biología sintética. El laboratorio de Keasling ha desarrollado o adoptado muchas de las últimas herramientas analíticas para solucionar problemas de nuestras manipulaciones genéticas. El laboratorio de Keasling ha aplicado la química metabólica a una serie de problemas del mundo real, incluida la producción del fármaco antipalúdico artemisinina y biocombustibles de reemplazo. Keasling ha publicado más de 300 artículos en revistas revisadas por pares y tiene más de 30 patentes emitidas.
La malaria es un problema de salud mundial que amenaza a entre 300 y 500 millones de personas y mata a más de un millón de personas al año. Los medicamentos a base de cloroquina que se usaban ampliamente en el pasado han perdido eficacia porque el parásito Plasmodium que causa la malaria se ha vuelto resistente a ellos. La artemisinina, un endoperóxido de lactona sesquiterpénica , extraído de Artemisia annua L es muy eficaz contra Plasmodium spp. resistente a otros medicamentos antipalúdicos. Sin embargo, existen varios problemas con los métodos actuales de producción de artemisinina. En primer lugar, las terapias combinadas de artemisinina (ACT) son demasiado caras para que las personas en el mundo en desarrollo las puedan costear. [6] En segundo lugar, la artemisinina se extrae de A. annua , y su rendimiento y consistencia dependen del clima y del proceso de extracción. Si bien existe un método para la síntesis química de la artemisinina, su rendimiento es demasiado bajo y, por lo tanto, demasiado caro para su uso en la producción de medicamentos de bajo costo. En tercer lugar, aunque la Organización Mundial de la Salud ha recomendado que la artemisinina se formule con otros ingredientes farmacéuticos activos en los TCA, muchos fabricantes todavía están produciendo monoterapias de artemisinina, lo que aumenta la posibilidad de que Plasmodium spp. desarrolle resistencia a la artemisinina.
El laboratorio de Keasling en la Universidad de California, Berkeley, ha diseñado tanto Escherichia coli como Saccharomyces cerevisiae para producir ácido artemisínico, un precursor de la artemisinina que puede derivatizarse utilizando una química establecida, simple y económica para formar artemisinina o cualquier derivado de la artemisinina que se use actualmente para tratar la malaria. [7] Los microorganismos fueron diseñados con una ruta biosintética de diez enzimas utilizando genes de Artemisia annua , Saccharomyces cerevisiae y Escherichia coli (doce genes en total) para transformar un azúcar simple y renovable, como la glucosa, en la estructura química complicada del fármaco antipalúdico artemisinina. El microorganismo diseñado es capaz de secretar el producto final de la célula, purificándolo así de todos los demás químicos intracelulares y reduciendo los costos de purificación y, por lo tanto, el costo del fármaco final. Dada la existencia de una química conocida y de rendimiento relativamente alto para la conversión de ácido artemisínico en artemisinina o cualquier otro derivado de la artemisinina, el ácido artemisínico producido microbianamente es una fuente viable, renovable y escalable de esta potente familia de medicamentos antipalúdicos. [8]
Un elemento crítico del trabajo de Keasling fue el desarrollo de herramientas genéticas para ayudar en la manipulación del metabolismo microbiano, particularmente para productos de bajo valor que requieren altos rendimientos de azúcar. Su laboratorio desarrolló plásmidos de copia única para la expresión de vías metabólicas complejas, sistemas promotores que permiten el control regulado de la transcripción de manera consistente en todas las células de un cultivo, tecnologías de estabilización de ARNm para regular la estabilidad de los segmentos de ARNm, [9] y un enfoque de ingeniería de proteínas para unir varias enzimas de una vía metabólica a un andamiaje de proteína sintética para aumentar el flujo de la vía. [10] Estas y otras herramientas de expresión genética ahora permiten un control preciso de la expresión de los genes que codifican nuevas vías metabólicas para maximizar la producción química, minimizar las pérdidas de productos secundarios y minimizar la acumulación de intermediarios tóxicos que pueden envenenar al huésped microbiano, todos los cuales son importantes para la producción económica de este importante fármaco.
Otro aspecto crítico del trabajo de Keasling fue descubrir la química y las enzimas en Artemisia annua responsables de la síntesis de artemisinina. [11] [12] Estas enzimas incluían el citocromo P450 que oxida el amorfadieno a ácido artemisínico y los socios redox que transfieren equivalentes reductores de la enzima a cofactores. El descubrimiento de estas enzimas y su expresión funcional tanto en levadura como en E. coli , junto con las otras nueve enzimas en la vía metabólica, permitió la producción de ácido artemisínico por estos dos microorganismos. [12] [13] Se eligió S. cerevisiae para el proceso de producción a gran escala y se diseñó aún más para mejorar la producción de ácido artemisínico. [14]
El proceso de producción microbiana de Keasling tiene varias ventajas sobre la extracción a partir de plantas. En primer lugar, la síntesis microbiana reducirá el costo de la artemisinina, el componente más caro de las terapias combinadas basadas en la artemisinina, hasta diez veces, y por lo tanto hará que los medicamentos antipalúdicos derivados de la artemisinina sean más asequibles para las personas en el mundo en desarrollo. En segundo lugar, las condiciones climáticas o el clima político que de otro modo podrían afectar el rendimiento o el costo de la versión derivada de plantas del medicamento no afectarán la fuente microbiana del medicamento. En tercer lugar, la producción microbiana de artemisinina en grandes tanques permitirá una distribución más cuidadosa de la artemisinina a los fabricantes legítimos de medicamentos que formulan terapias combinadas de artemisinina, en lugar de monoterapias. Esto, a su vez, retrasará el desarrollo de resistencia a este medicamento. En cuarto lugar, se proyecta una grave escasez de artemisinina derivada de plantas para 2011 y más allá, lo que aumentará el costo de las terapias combinadas de artemisinina. Por último, el ácido artemisínico derivado de microbios permitirá la producción de nuevos derivados de la artemisinina a los que el Plasmodium puede no ser resistente, ampliando así el tiempo durante el cual se puede utilizar la artemisinina.
Para asegurarse de que el proceso que desarrolló beneficiaría a las personas en el mundo en desarrollo, Keasling reunió a un equipo único formado por su laboratorio en la Universidad de California, Berkeley, Amyris Biotechnologies (una empresa fundada sobre esta tecnología) y el Institute for OneWorld Health (una empresa farmacéutica sin fines de lucro ubicada en San Francisco). Además de reunir al equipo, Keasling desarrolló un modelo de propiedad intelectual para garantizar que la artemisinina de origen microbiano pudiera ofrecerse lo más económicamente posible a las personas en el mundo en desarrollo: las patentes otorgadas por su trabajo en la UCB están licenciadas libres de regalías a Amyris Biotechnologies y al Institute for OneWorld Health para su uso en la producción de artemisinina, siempre que no obtengan ganancias por la venta de la artemisinina en el mundo en desarrollo. El equipo fue financiado en diciembre de 2004 por la Fundación Bill y Melinda Gates para desarrollar el proceso de producción microbiana. La ciencia se completó en diciembre de 2007. En 2008, Sanofi-Aventis licenció la tecnología y trabajó con Amyris para desarrollar el proceso de producción. Sanofi-Aventis ha producido 35 toneladas [ ¿cuándo? ] de artemisinina utilizando el proceso de producción microbiana de Keasling, lo que es suficiente para 70 millones de tratamientos. La distribución de terapias combinadas de artemisinina que contienen artemisinina de origen microbiano comenzó en agosto de 2014 con 1,7 millones de tratamientos enviados a África. Se prevé que se producirán entre 100 y 150 millones de tratamientos utilizando esta tecnología y se enviarán anualmente a África, Asia y Sudamérica.
Los combustibles renovables son necesarios para todos los modos de transporte, pero la mayoría de los combustibles de origen microbiano sólo pueden utilizarse como una pequeña fracción de la gasolina en los motores de encendido por chispa convencionales. El laboratorio de Keasling ha diseñado microorganismos para producir hidrocarburos con propiedades similares a los combustibles que ahora se derivan del petróleo. Estos combustibles se sintetizan a partir de azúcares derivados de plantas, como la celulosa, que tiene poco valor económico. En consecuencia, los microbios pueden minimizar la huella de carbono al minimizar el gasto de energía en la obtención de combustible, como la perforación en alta mar y la fracturación hidráulica.
Keasling y sus colegas demostraron que la Escherichia coli y la Saccharomyces cerevisiae pueden ser modificadas genéticamente para producir biocombustibles basados en ácidos grasos, como ésteres etílicos de ácidos grasos, [15] alquenos, [16] y metilcetonas. [17] Como los hidrocarburos lineales son los componentes clave del diésel, estos combustibles producidos biológicamente son excelentes sustitutos del diésel. Sin embargo, los combustibles que contienen solo cadenas largas y lineales de hidrocarburos se congelarán en condiciones de frío. Para desarrollar combustibles adecuados para aplicaciones en frío, el laboratorio de Keasling modificó genéticamente la E. coli y la S. cerevisiae para producir hidrocarburos ramificados y cíclicos utilizando la vía biosintética de los isoprenoides: isopentanol, un sustituto directo de la gasolina; [18] pineno, un sustituto del combustible para aviones; [19] y bisaboleno, un sustituto del combustible diésel. [20] Debido a que los isoprenoides agregan una cadena lateral de metilo cada cuatro carbonos en la estructura principal, los combustibles hechos a partir de isoprenoides tienen puntos de congelación y enturbiamiento muy bajos, lo que los hace adecuados como combustibles para aviones y diésel para climas fríos.
Uno de los mayores desafíos en la ampliación de las fermentaciones microbianas es la estabilidad de la cepa microbiana: el microorganismo modificado intentará mutar o deshacerse de la vía metabólica, en parte porque los intermediarios en la vía metabólica se acumulan y son tóxicos para las células. Para equilibrar el flujo de la vía y reducir el costo de producir un biocombustible deseado, el laboratorio de Keasling desarrolló reguladores dinámicos para detectar los niveles de intermediarios en la vía y regular la actividad de la misma. [21] Estos reguladores estabilizaron la vía y la célula y mejoraron los rendimientos del biocombustible, lo que hizo posible el cultivo de las células modificadas en tanques de fermentación a gran escala para la producción de combustible.
Muchos de los mejores combustibles y productos químicos son tóxicos para el organismo productor. Una forma de limitar la toxicidad del combustible es bombear activamente el combustible desde la célula. Para identificar las bombas ideales para un combustible en particular, Keasling y sus colegas bioprospeccionaron microorganismos ambientales en busca de muchos transportadores de tres componentes diferentes y seleccionaron las bombas más efectivas para un combustible en particular. [22] Estos transportadores permitieron que E. coli creciera en presencia de los combustibles y, como resultado, produjera más del combustible objetivo de lo que hubiera podido hacer en ausencia del transportador.
Los materiales de partida (generalmente azúcares) son el factor más importante en el costo de producción de biocombustibles. La celulosa, un material de partida potencialmente de bajo costo, debe despolimerizarse en azúcares mediante la adición de un costoso cóctel de enzimas. Una forma de reducir este costo es diseñar el microbio productor de combustible para que también produzca las enzimas necesarias para despolimerizar la celulosa y la hemicelulosa. Recientemente, el laboratorio de Keasling demostró que se podía diseñar un microorganismo para que sintetizara y secretara enzimas para despolimerizar la celulosa y la hemicelulosa en azúcares y para producir un sustituto de la gasolina (butanol), un sustituto del combustible diésel (éster etílico de ácido graso) o un sustituto del combustible para aviones (pineno). [23]
Como plataforma tecnológica, la fabricación de biocombustibles se enfrenta a enormes obstáculos económicos, muchos de los cuales dependen del precio de mercado del petróleo crudo y otros combustibles de origen convencional. No obstante, la ingeniería metabólica es una tecnología que se está volviendo cada vez más competitiva y se espera que tenga efectos de amplio alcance para 2020.
Keasling es uno de los fundadores de Amyris (con Vincent Martin, Jack Newman, Neil Renninger y Kinkead Reiling), LS9 (ahora parte de REG con George Church y Chris Sommerville) y Lygos (con Leonard Katz, Clem Fortman, Jeffrey Dietrich y Eric Steen).
Keasling es originario de Harvard, Nebraska , y es abiertamente gay. [28]