Значительное изменение в микроорганическом производстве привнесло чистое, возобновляемое биодизельное топливо, которое было достигнуто благодаря новой технологии в синтетической биологии и исследователям из «U. S. Department of Energy» (DOE) и «Joint BioEnergy Institute»(JBEI), сообщает «WordScience.org».
Под новой технологией исследователи подразумевают «Dynamic sensor-regulator system» (динамический датчик-регулятор системы) — он позволяет обнаруживать метаболические изменения в микроорганизмах во время производства жирных кислот основанных на нефти или химических веществах и контролируют экспрессию генов, влияющих на это производство. Результатом одной демонстрации было трёхкратное увеличение микробного производства биодизеля из глюкозы.
«DSRS — является новым, удивительным и мощным инструментом. Это первый пример синтетической системы, которая может динамически регулировать метаболическими путями, совершенствуя производство жирных кислот, альтернативных видов топлива и химических веществ, во время нахождения микробов в биореакторе», — говорит Джей Кислинг (Jay Keasling), генеральный директор «JBEI», возглавлявший это исследование и один из ведущих специалистов по синтетической биологии в мире.
Кислинг, также является заместителем директора Лаборатории биологических наук в Национальной лаборатории Лоренса Беркли (Berkeley Lab) и автором документа, описывающего данное исследование в «Nature Biotechnology» под названием «Design of a dynamic sensor-regulator system for production of FAbased chemicals and fuels» (Дизайн динамического датчика регулятора системы в производстве химикатов и топлива). Со-авторами данного исследования являются Фужонг Чжан и Джеймс Карозерс из «JBEI’s Fuels Synthesis Division».
Потребность в новых видах транспортного топлива, которые являются возобновляемыми и могут быть произведены на устойчивой основе, является очень актуальной. Научные исследования неоднократно показывали, что жидкое топливо, полученное из растительной биомассы, является одном из лучших альтернатив и экономически эффективным средством в промышленном производстве. Основные исследовательские усилия в этом направлении сосредоточены на жирных кислотах — богатые энергией молекулы в клетках растений, которые получили название «природная нефть». Жирные кислоты в настоящее время служат в качестве сырья не только для биодизельного топлива, но и для широкого круга важных химических продуктов, в том числе поверхностно-активных веществ, растворителей и смазочных материалов.
«Микробное производство топлива и химических веществ из жирных кислот, является наилучшей альтернативой химическому синтезу», — говорит Чжан, ведущий автор статьи «Nature Biotechnology». «Тем не менее, высокая продуктивность является важным моментом в микробном производстве и сделает его экономически выгодным».
Воспрепятствование производству микробных жирных кислот на основе химических веществ имело метаболическую неустойчивость во время синтеза продукта.
«Экспрессия генов на слишком низком уровне создаёт узкие места в биосинтетических путях, в то время как выражение на слишком высоком уровне отклоняет клеточные ресурсы от производства ферментов или ненужных промежуточных метаболитов, которые могли бы быть посвящены желаемому химикату», — говорит Чжан. «Кроме того, накопление этих ферментов и промежуточных метаболитов может оказывать токсическое воздействие на микробы, точнее снизить производительность».
Используя инструменты синтетической биологии, имелось несколько стратегий, разработанных для решения этой задачи, но эти стратегии обеспечивали только статическим контролем уровня экспрессии генов.
«Когда в биореакторе до определённого состояния будет настроена система контроля экспрессии генов и изменения условий, система контроля не сможет ответить, в результате чего первыми пострадают продукты синтеза», — говорит Чжан.
В процессе синтеза «DSRS» реагирует на метаболический статус микроба в биореакторе, путём зондирования ключевых промежуточных метаболитов в спроектированных путях. Затем «DSRS» регулирует гены, которые контролируют производство и потребление этих промежуточных метаболитов, чтобы доставить их при таких уровнях и темпах, которые оптимизируют пути для достижения максимальной производительности, даже при изменении условий в биореакторе.
«Природа произвела на свет такие датчики, которые могут быть использованы при нахождении биосинтетического промежуточного звена. Но, естественно они не совсем надёжны в регулировании спроектированных путей, потому что развивались они для поддержки единственного вещества, а не химических веществ в большом количестве», — говорит Чжан.
Чтобы создать свой «DSRS», Чжан, Кизлинг и Карозерс были сосредоточены над штаммом кишечной палочки (E. coli) — бактерия, разработанная в «JBEI» для производства дизельного топлива непосредственно из глюкозы. «E. coli» является хорошо изученным микроорганизмом, врождённая способность которого синтезировать жирные кислоты. Исключительная ответственность перед генетической манипуляцией, делают этот микроорганизм идеальной мишенью для исследований, касающихся биотоплива. В этой последней работе исследователи «JBEI» впервые разработали биосенсоры для ключевого промежуточного метаболита — жирного «acyl-CoA». Затем они разработали набор «ускорителей» (сегментов ДНК), которые повышают экспрессию определённых генов в ответ на клеточные уровни «acyl-CoA». Эти синтетические «ускорители» становятся полностью активированными только тогда, когда присутствуют жирные кислоты и реагент, известный как «IPTG».
«Для максимального увеличения выхода продукта, важно, чтобы «прохудившиеся» от экспрессии гены были отделены от ускорителей», — говорит Чжан. «Так как наши гибридные ускорители подавляются пока не вызван «IPTG», уровни индукции могут быть настроены автоматически «FA / acyl-CoA» уровнем. Они могут быть легко использованы в регулировании производства биодизельного топлива и других жирных кислотах на основе химических веществ».
Благодаря внедрению в производство биодизельного топлива «DSRS» и «E. coli» — повышена производительность топлива, достигнув 28% от теоретического максимума. С дальнейшим разработками данной технологии, производительность биодизеля должна несомненно повысится. «DSRS» также должен присутствовать в микробном производстве и других химических продуктов, основанных как на жирных кислотах, так и за их пределами.
«Учитывая большое количество природных датчиков, наша «DSRS» стратегия может быть распространена на множество других «биосинтетических путей», которые помогут сбалансировать обмен веществ, повысить выпускаемость продукта и стабилизировать производство», — говорит Чжан.
Данное исследование частично было поддержано «DOE Office of Science» и частично «National Science Foundation through» в «Synthetic Biology Engineering Research Center» (SynBERC).
Источник: wordscience.org
