Переход к устойчивому биохимическому производству важен для зеленого роста, но производительность и выход модифицированных клеток часто снижаются при крупномасштабной ферментации в промышленных масштабах. Этот барьер для коммерциализации большего количества биопроцессов в значительной степени объясняется физической неэффективностью больших стальных резервуаров кубометров.
Биоинженеры уже давно спорят о том, реально ли для эволюции исключить производство искусственных продуктивных клеток в течение относительно короткого периода времени, необходимого для крупномасштабного промышленного производства.
Согласно новому исследованию, опубликованному в Nature Communications, роль эволюции в ограничении биопроцессов недооценивается.
«Используя новый подход к сверхглубокому секвенированию ДНК, мы обнаружили, что эволюция ограничивает биопродукцию. Мы можем использовать это открытие, чтобы перепроектировать наши клеточные фабрики для более эффективного производства в промышленных масштабах», - говорит Мортен Соммер, профессор и научный руководитель секции бактериальной синтетической биологии в Центре биоустойчивости Фонда Ново Нордиск, Технический университет Дании.
Вредная эволюция недооценена
Исследование Центра биоустойчивости Фонда Ново Нордиск предполагает, что механизмы эволюции ограничивают масштабирование за счет множества мутаций, более широких и быстрых, чем ожидалось ранее.
Результаты показывают, что эволюция представляет собой более серьезную угрозу масштабированию, и нельзя исключать, что она ограничивает эффективность коммерциализированной крупномасштабной ферментации.
Эволюция непродуктивных клеточных субпопуляций приводит к потере продукции в наших тематических исследованиях. Скорость эволюции зависит от биохимического продукта, но это определенно может произойти в промышленных масштабах времени. Это затрудняет масштабирование биотехнологии», - говорит Питер Ругбьерг, постдоктор Центра биоустойчивости при Фонде Ново Нордиск.
Тем не менее, используя сверхглубокое секвенирование тысяч различных клеток, теперь можно сопоставить различные режимы ошибок масштабирования и проектирования с эволюцией ранее. В настоящее время исследователи проверяют свой подход к биоинформатике и проверяют, насколько широко распространена проблема в реальной отрасли, сотрудничая с ферментационными компаниями.
Ранняя эволюция определила долгосрочную судьбу в масштабе
Результаты указывают на то, что сконструированные производственные гены в бактериях, производящих химические вещества, в основном мутировали в результате неожиданных нарушений и генетических перестроек, а не в результате более медленных классических точечных мутаций, известных как однонуклеотидные полиморфизмы (SNP). Мутации делают непродуцирующие клетки более приспособленными к борьбе за питательные вещества в ферментационном резервуаре.
Мы обнаружили, что большое разнообразие генетических сбоев превратило продуктивные клетки в непродуктивные, когда мы провели глубокое секвенирование тысяч продуктивных организмов с течением времени. Клетки имеют множество встроенных способов удаления ненужных генов, и оказалось, что наиболее В стандартных инструментах анализа важное упускается из виду», - говорит Питер Ругбьерг, постдоктор в Центре биоустойчивости Фонда Ново Нордиск.
Эволюционные мутанты, которые в конечном итоге привели к полной потере продукции, могут быть обнаружены очень рано при частотах ниже 0,1 %, что может позволить в будущем идентифицировать более ранние неудачные ферментации.
Находясь на сверхнизкой частоте при выращивании в лаборатории, мутанты не играли отрицательной роли в производстве в колбах для встряхивания и традиционно их было трудно обнаружить. Однако преимущество потери производства означает, что эти ранние мутации уже определили величину снижения производства, которое происходит по мере того, как процесс масштабируется до продолжительности промышленного роста.
«Основываясь на этих выводах, я бы посоветовал компаниям, занимающимся ферментацией в промышленных масштабах, развернуть глубокое секвенирование популяций ферментации, чтобы оценить степень вредной эволюции», - говорит Мортен Соммер..
Он ожидает, что решение этой вредной эволюции существенно улучшит коммерческие биопроцессы.