Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) достигли беспрецедентного успеха в модификации микроба для эффективного производства интересующего соединения с использованием вычислительной модели и редактирования генов на основе CRISPR.
Их подход может значительно ускорить этап исследований и разработок новых процессов биопроизводства и быстрее доставить на полки передовые продукты на основе биоматериалов, такие как экологически чистые виды топлива и альтернативные пластмассы.
В процессе используются компьютерные алгоритмы, основанные на реальных экспериментальных данных, чтобы определить, какие гены в «хозяйском» микробе могут быть отключены, чтобы перенаправить энергию организма на производство большого количества целевого соединения, а не на его обычный суп из продуктов метаболизма. .
В настоящее время многие ученые в этой области все еще полагаются на специальные эксперименты методом проб и ошибок, чтобы определить, какие модификации генов приводят к улучшениям. Кроме того, большинство микробов, используемых в процессах биопроизводства, которые производят неродное соединение, то есть гены, которые его делают, были вставлены в геном хозяина, могут генерировать большие количества целевого соединения только после того, как микроб достиг определенной фазы роста, что приводит к медленному росту. процессы, которые тратят энергию при инкубации микробов.
Оптимизированный процесс метаболической перестройки, названный «спариванием продукт / субстрат», делает так, что весь метаболизм микроба всегда связан с производством соединения.
Чтобы проверить сочетание продукта и субстрата, команда провела эксперименты с многообещающим появляющимся хозяином – почвенным микробом под названием Pseudomonas putida – который был сконструирован так, чтобы нести гены, производящие индигоидин, синий пигмент. Ученые оценили 63 потенциальных стратегии перенастройки и, используя рабочий процесс, который систематически оценивает возможные результаты для желаемых характеристик хозяина, определили, что только одна из них была экспериментально реалистичной. Затем они выполнили CRISPR-интерференцию (CRISPRi), чтобы заблокировать экспрессию 14 генов, в соответствии с их расчетными прогнозами.
«Мы были взволнованы, увидев, что наш штамм дает чрезвычайно высокий выход индигоидина после того, как мы одновременно нацелены на такое большое количество генов», – сказала со-ведущий автор Дипанвита Банерджи, научный сотрудник Объединенного института биоэнергетики (JBEI), который находится под управлением пользователя Berkeley Lab. «Текущий стандарт метаболической перестройки – это кропотливая нацеленность на один ген за раз, а не сразу на несколько генов», – сказала она, отметив, что до этой статьи было только одно предыдущее исследование метаболической инженерии, в котором авторы нацелены на шесть генов. для нокдауна. «Мы существенно повысили верхний предел одновременных изменений, используя мощные подходы на основе CRISPRi.
Со-ведущий автор Томас Энг, научный сотрудник JBEI, добавил: «Используя сочетание продукта и субстрата, мы считаем, что с помощью нашего рационально разработанного процесса мы можем значительно сократить время, необходимое для разработки промышленного процесса биопроизводства. огромное количество лет исследований и человеко-часов, потраченных на разработку артемизинина (противомалярийного средства) или 1–3 бутандиола (химического вещества, используемого для производства пластмасс) – от пяти до десяти лет от лабораторной записной книжки до экспериментального завода. Резкое сокращение сроков НИОКР это то, что нам нужно, чтобы сделать завтрашнюю биоэкономику реальностью », – сказал он.
Примеры целевых соединений, исследуемых в лаборатории Беркли, включают изопентенол, многообещающее биотопливо; компоненты из огнестойких материалов; и заменители исходных молекул нефтяного происхождения, используемые в промышленности, такие как прекурсоры нейлона. Многие другие группы используют биопроизводство для производства передовых лекарств.
Главный исследователь Айндрила Мухопадхьяй объяснила, что успех команды был достигнут благодаря ее многопрофильному подходу. «Эта работа не только требовала строгого компьютерного моделирования и современной генетики, мы также полагались на наших сотрудников из подразделения Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU), чтобы продемонстрировать, что наш процесс может сохранять свои желаемые характеристики на более высоком уровне. – сказал Мухопадхьяй, вице-президент подразделения биотоплива и биопродуктов и директор ведущей инженерной группы JBEI. «Мы также сотрудничали с Объединенным институтом генома Министерства энергетики (DOE), чтобы охарактеризовать наш штамм. Неудивительно, что мы ожидаем многих таких будущих совместных работ, чтобы изучить экономическую ценность полученных нами улучшений.