Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) добились беспрецедентного успеха в модификации микроба для эффективного получения интересующего соединения с использованием компьютерной модели и редактирования генов на основе CRISPR.
Их подход может значительно ускорить фазу исследований и разработок для новых процессов биопроизводства, а также ускорить появление на полках передовых биопродуктов, таких как экологичное топливо и альтернативы пластику.
В процессе используются компьютерные алгоритмы, основанные на реальных экспериментальных данных, для определения того, какие гены в микробе-"хозяине" можно отключить, чтобы перенаправить энергию организма на производство больших количеств целевого соединения, а не его нормальный бульон из продуктов обмена.
В настоящее время многие ученые в этой области все еще полагаются на специальные эксперименты методом проб и ошибок, чтобы определить, какие генные модификации приводят к улучшениям. Кроме того, большинство микробов, используемых в процессах биопроизводства, производящих чужеродное соединение (т. е. гены, создающие его, были вставлены в геном хозяина), могут генерировать большие количества целевого соединения только после того, как микроб достигнет определенной фазы роста, что приводит к замедлению роста. процессы, которые тратят энергию на инкубацию микробов.
Упрощенный процесс метаболической перестройки команды, придуманный как «соединение продукт/субстрат», делает так, что весь метаболизм микроба всегда связан с созданием соединения.
Чтобы протестировать сочетание продукт/субстрат, команда провела эксперименты с многообещающим новым хозяином - почвенным микробом под названием Pseudomonas putida, который был спроектирован так, чтобы нести гены для производства индигоидина, синего пигмента. Ученые оценили 63 потенциальных стратегии перепрограммирования 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 интерференцию CRISPR (CRISPRi), чтобы заблокировать экспрессию 14 генов, руководствуясь своими расчетными прогнозами.
«Мы были взволнованы, увидев, что наш штамм дает чрезвычайно высокие выходы индигоидина после того, как мы нацелились на такое большое количество генов одновременно», - сказала соавтор Дипанвита Банерджи, научный сотрудник Объединенного института биоэнергетики (JBEI).), которым управляет Berkeley Lab. «Текущий стандарт метаболической перестройки заключается в тщательном воздействии на один ген за раз, а не на множество генов одновременно», - сказала она, отметив, что до этой статьи было только одно предыдущее исследование в области метаболической инженерии, в котором авторы нацеливались на шесть генов. для нокдауна. «Мы существенно подняли верхний предел одновременных модификаций, используя мощные подходы на основе CRISPRi. Теперь это открывает поле для рассмотрения методов вычислительной оптимизации, даже если они требуют большого количества генетических модификаций, потому что они действительно могут привести к преобразующим результатам». - сказал Банерджи.
Со-ведущий автор Томас Энг, научный сотрудник JBEI, добавил: «Благодаря сочетанию продукта и субстрата мы считаем, что можем значительно сократить время, необходимое для разработки процесса биопроизводства в коммерческих масштабах с помощью нашего рационально разработанного процесса. Страшно подумать об огромном количестве 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 лабораторного ноутбука до экспериментального завода. Резкое сокращение сроков НИОКР - это то, что нам нужно, чтобы завтрашняя биоэкономика стала реальностью», - сказал он.
Примеры целевых соединений, которые исследуются в лаборатории Беркли, включают изопентенол, многообещающее биотопливо; компоненты огнезащитных материалов; и заменители исходных молекул нефтяного происхождения, используемые в промышленности, такие как прекурсоры нейлона. Многие другие группы используют биотехнологии для производства передовых лекарств.
Главный исследователь Айндрила Мукхопадхьяй объяснил, что успех команды был достигнут благодаря междисциплинарному подходу.«Эта работа потребовала не только тщательного компьютерного моделирования и современной генетики, мы также полагались на наших сотрудников из Отдела разработки передовых процессов биотоплива и биопродуктов (ABPDU), чтобы продемонстрировать, что наш процесс может поддерживать желаемые характеристики при более высоких производственных масштабов», - сказал Мухопадхьяй, вице-президент подразделения биотоплива и биопродуктов и директор основной инженерной группы JBEI. «Мы также сотрудничали с Объединенным институтом генома Министерства энергетики (DOE), чтобы охарактеризовать наш штамм. Неудивительно, что мы ожидаем, что в будущем будет много таких совместных проектов для изучения экономической ценности полученных нами улучшений и более глубокого изучения этой радикальной метаболической перестройки.."