Исследовательская группа из KAIST представила новый биосенсор, который может производить разнообразные микробные клеточные фабрики высокого уровня. Биосенсор отслеживает концентрацию продуктов и даже промежуточных продуктов при разработке новых штаммов. Эта стратегия обеспечивает новую платформу для производства разнообразных натуральных продуктов из возобновляемых ресурсов. С помощью этой стратегии команде удалось создать четыре натуральных продукта высокого фармацевтического значения.
Малонил-КоА является основным строительным блоком для многих химических веществ с добавленной стоимостью, включая различные натуральные продукты, имеющие фармацевтическое значение. Однако из-за низкой доступности малонил-КоА в бактериях многие натуральные продукты, производные малонил-КоА, были получены путем химического синтеза или извлечения из природных ресурсов, которые вредны для окружающей среды и неустойчивы. Для устойчивого биологического производства натуральных продуктов, полученных из малонил-КоА, необходимо увеличение внутриклеточного пула малонил-КоА. С этой целью потребовалась разработка надежного и эффективного биосенсора малонил-КоА для мониторинга концентрации внутриклеточного изобилия малонил-КоА по мере разработки новых штаммов..
Исследователи метаболической инженерии из KAIST рассмотрели этот вопрос. В этом исследовании сообщается о разработке простого и надежного биосенсора малонил-КоА путем перепрофилирования поликетидсинтазы типа III (также известной как RppA), которая производит флавиолин, колориметрический индикатор малонил-КоА. Впоследствии биосенсор RppA был использован для быстрого и эффективного колориметрического скрининга целей манипуляции генами, что позволило увеличить содержание малонил-КоА. Отобранные полезные гены-мишени использовали для производства на высоком уровне четырех репрезентативных натуральных продуктов, полученных из малонил-КоА. По сравнению с предыдущими стратегиями, которые были дорогими и трудоемкими, новый биосенсор можно было легко применить к промышленно значимым бактериям, включая Escherichia coli, Pseudomonas putida и Corynebacterium glutamicum, чтобы обеспечить одноэтапный процесс.
В исследовании используется технология синтетических малых регуляторных РНК (мРНК) для быстрого и эффективного снижения экспрессии эндогенного гена-мишени для улучшения производства малонил-КоА. Исследователи создали синтетическую библиотеку мРНК в масштабе генома E. coli, нацеленную на 1858 генов, охватывающих все основные метаболические гены E. coli. Эта библиотека использовалась с биосенсором RppA для скрининга генов-мишеней, которые, как считается, полезны для усиления накопления малонил-КоА при нокдауне их экспрессии.
В результате этого колориметрического скрининга было отобрано 14 генов-мишеней, каждый из которых значительно увеличил выработку четырех натуральных продуктов (6-метилсалициловой кислоты, алоэзона, ресвератрола и нарингенина). Хотя конкретные примеры продемонстрированы на E. coli в качестве хозяина, исследователи показали, что биосенсор также функционирует у P. putida и C. glutamicum, промышленно важных представителей грамотрицательных и грамположительных бактерий соответственно. Биосенсор малонил-КоА, разработанный в ходе этого исследования, послужит эффективной платформой для быстрой разработки штаммов, способных производить натуральные продукты, имеющие решающее значение для фармацевтической, химической, косметической и пищевой промышленности.
Важным аспектом этой работы является то, что высокопроизводительные штаммы, созданные в этом исследовании, были получены быстро и легко с использованием простого подхода колориметрического скрининга, без применения обширных методов метаболической инженерии. 6-Метилсалициловая кислота (антибиотик) может быть получена с наивысшим титром, зарегистрированным для E. coli, и впервые было достигнуто микробное производство алоэзона (предшественника алоэзина, противовоспалительного агента / отбеливающего агента).
«Устойчивый процесс производства разнообразных натуральных продуктов с использованием возобновляемых ресурсов представляет большой интерес. Это исследование представляет собой разработку надежного и эффективного биосенсора малонил-КоА, который обычно применим к широкому кругу промышленно важных бактерий. Этот биосенсор для скрининга большой библиотеки был продемонстрирован, чтобы показать, что быстрое и эффективное создание высокопроизводительных штаммов осуществимо. Это исследование будет полезно для дальнейшего ускорения процесса разработки штаммов, способных производить ценные химические вещества до промышленно значимых уровней», - сказал Уважаемый профессор кафедры химической и биомолекулярной инженерии Сан Юп Ли, руководивший исследованием.