Биопроизводство химикатов с использованием сконструированных микроорганизмов сегодня регулярно сообщается, но только несколько биопроцессов функционируют в больших объемах ферментации, которые требуются промышленности. В течение более длительного периода отсутствие успешного масштабирования было одной из наиболее важных проблем, которую инженеры должны были решить, чтобы заменить производство нефтепродуктов производством химикатов на биологической основе.
Одна из центральных проблем заключается в том, что биопродукция в крупномасштабных ферментерах ограничена токсичностью и стрессами, которые позволяют эволюции уменьшить или исключить производство химических веществ искусственными клетками. когда требуется большое количество химикатов», - говорит Мортен Соммер, профессор и научный руководитель секции бактериальной синтетической биологии в Центре биоустойчивости Фонда Ново Нордиск, Технический университет Дании.
Новое исследование, проведенное учеными из Центра биоустойчивости Фонда Ново Нордиск, только что опубликованное в PNAS, предполагает, что клетки могут быть сконструированы таким образом, чтобы преодолеть это эволюционное давление и стабильно производить высокие уровни ценных химических веществ.
Ключ заключается в том, чтобы перенастроить производственные клетки, чтобы они росли только тогда, когда они содержат высокую концентрацию продукта. Таким образом, эволюцию можно обойти, и клетки смогут производить биохимические вещества в промышленных масштабах времени.
Когда мы перепрограммируем производящий микроорганизм для замедления роста в случае, если он теряет продуктивность, мы эффективно предотвращаем его эволюцию над генами, ведущими к воспроизводству. Это позволяет нам поддерживать продуктивные клетки, даже когда клетки делятся, чтобы заполнить большие резервуары для ферментации», - говорит Питер Ругбьерг, постдоктор в Центре биоустойчивости Novo Nordisk Foundation.
Остановка дорогостоящей эволюции
Эволюция полезна для клетки. Однако то, что хорошо для клетки, может не подойти для биопроцесса в ферментационном резервуаре. В ферментационном резервуаре эволюция может сократить производство, особенно во время крупномасштабной ферментации.
Основная идея нового исследования заключается в том, чтобы обойти эволюцию, происходящую в производственных клетках, с помощью так называемого молекулярного биосенсора, который улавливает продукт, мевалонат, внутри производственных клеток. Биосенсор способен останавливать рост, если концентрация продукции падает ниже определенного значения.
Эта концепция продемонстрирована учеными и может помочь в развитии более устойчивого общества. На данный момент микроорганизмы естественным образом не производят большое количество ценных химических веществ, что требует использования многих ресурсов НИОКР. Дорогой процесс, который задерживает запуск новых биологических процессов.
«Спроектированное высокоуровневое биопроизводство химических веществ непривлекательно для клетки, которая имеет тенденцию расти медленнее и искать пути развития и прекращения производства. Это затрудняет преодоление разрыва между исследованиями, проводимыми в лабораторных колбах, и промышленная потребность в больших количествах кубометров», - подчеркивает Петер Ругбьерг.
Биопроизводство становится жизнеспособной альтернативой
Если результаты исследования будут распространены на большее количество производственных случаев, основное препятствие для инвестирования в биологическое производство будет устранено. Группа в Центре биоустойчивости Фонда Ново Нордиск в настоящее время сотрудничает с биотехнологическими компаниями, чтобы исследовать и решить вопрос о влиянии эволюции на существующие ферментационные резервуары.
«Биотехнологическая промышленность ясно показывает, что они видят большой потенциал в решении этой проблемы. Это исследование может стать шагом к более эффективному и доступному крупномасштабному биопроизводству на благо общества», - говорит Мортен Зоммер.
С 2011 года Центр биоустойчивости Фонда Ново Нордиск работает над разработкой и совершенствованием фундаментальных инженерных подходов к биопроизводству. Это исследование - великолепный тому пример.