Как клетки генерируют и используют энергию? Этот вопрос может показаться простым, но ответ далеко не так прост. Кроме того, знание того, как микробные клеточные фабрики потребляют энергию и как для этого распределяются белки, имеет решающее значение при работе с промышленной ферментацией.
Теперь исследователи показали, что можно вызвать сдвиг метаболизма от брожения к дыханию кишечной палочки и пекарских дрожжей путем оптимизации условий брожения. Этот сдвиг означает, что клетки могут быть вынуждены производить больше внутренней энергии (АТФ).
«Эта информация может быть использована для разработки новых, улучшенных клеточных фабрик», - говорит автор-корреспондент, профессор Технологического университета Чалмерса, Швеция, и научный директор Центра биоустойчивости Novo Nordisk Foundation в DTU в Дании Йенс Нильсен.
Вместе с постдоком первого автора Ю Ченом из отдела биологии и биологической инженерии в Чалмерсе Йенс Нильсен изучил метаболизм кишечной палочки и пекарских дрожжей с помощью математических моделей и биологических экспериментов. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Клетки постоянно генерируют высокоэнергетические молекулы, называемые АТФ, из сахара-глюкозы. АТФ - это клеточная «пища», которую потребляют рабочие - ферменты - внутри клеток. Ферменты используют эту энергию для создания биомассы или выполнения другой клеточной работы. Чем больше АТФ доступно, тем лучше микробные рабочие лошадки работают при ферментации; по крайней мере, в принципе - многие другие аспекты также играют роль.
Используя вычислительный подход, исследователи обнаружили, что АТФ может генерироваться одним из двух путей: высокопродуктивным дыхательным путем, дающим 23,5 АТФ на молекулу глюкозы, или низкопродуктивным ферментативным путем, который генерирует только 11 АТФ на молекулу глюкозы.
Эти два пути дополняют друг друга, но исследователи смогли сместить естественный баланс между ними, изменив условия ферментации и количество доступного сахара и белка. Кроме того, они показали, что высокопродуктивному пути требуется больше белковой массы, чем низкопродуктивному пути для потребления глюкозы с той же скоростью.
Они также показали, что улучшение работы некоторых ключевых ферментов означало, что клетки перешли от низкопродуктивного ферментативного метаболизма к дыханию через высокопродуктивный дыхательный метаболизм.
Этот сдвиг приводит к увеличению количества внутриклеточного АТФ, а также позволяет избежать накопления побочных продуктов брожения; ацетат в E. coli и этанол в пекарских дрожжах.
«Эти побочные продукты нежелательны и снижают выход искомых молекул, которые вы хотите производить на своей клеточной фабрике», - говорит Йенс Нильсен.
Кроме того, исследователи показали, что клетки, работающие наилучшим образом, на самом деле используют оба пути, а не только высокопродуктивный, и что чем больше доступных белков, тем выше эффективность данного пути.
Итак, решение проблемы повышения производительности клеток при ферментации состоит не в том, чтобы отключить ферментативный путь, а в том, чтобы направить больше белка на высокопродуктивный путь.
Исследователи подвергли микробы исключительно различным условиям ферментации и не проводили генную инженерию, чтобы вызвать эти изменения. Но в то же время их исследования показали, как можно изменить метаболизм клеток с помощью геномной инженерии, чтобы стать более эффективным в будущих экспериментах.