Флуоресцентные биосенсоры ускоряют метаболическую инженерию
Синтетические биологи превращают микроорганизмы в фабрики для производства ценных продуктов: тонких химикатов, терапевтических средств и биотоплива. Чтобы ускорить поиск самых эффективных штаммов, исследователи из Висс-института Гарварда предлагают использовать генетически кодируемые флуоресцентные биосенсоры. Этот подход позволяет создавать и тестировать миллиарды вариантов метаболических путей за рекордное время. Работы опубликованы в Trends in Biotechnology и PNAS.
Проблема «дизайн-сборка-тест»
Биотехнологии используют итеративный цикл «дизайн-сборка-тест» для поиска генетических комбинаций, дающих максимальный выход продукта. Ключевая задача — протестировать как можно больше вариантов, так как лишь единицы будут производить продукт в промышленно значимых количествах.
- Дизайн и сборка: Современные технологии (вычислительные инструменты, синтез ДНК) позволяют создавать практически бесконечное число конструкций и производить миллиарды микроорганизмов с разными вариантами генов.
- Узкое место — тестирование: Существующие методы позволяют оценивать лишь сотни или тысячи конструкций в день. Анализы часто трудоемки и подвержены ошибкам.
Решение: генетически кодируемые биосенсоры
Биосенсоры преодолевают это ограничение, связывая количество целевого продукта внутри клетки с выживаемостью или флуоресценцией.
- Биосенсоры на основе антибиотикорезистентности: Высокий уровень продукта включает экспрессию гена устойчивости к антибиотику. Выживают только высокопродуктивные клетки.
- Флуоресцентные биосенсоры (новый подход): Специализированные сенсорные белки активируют экспрессию флуоресцентного репортера. Яркость свечения клетки пропорциональна количеству произведенного химического вещества.
Преимущества флуоресцентных биосенсоров:
- Позволяют наблюдать за уровнем продукта в реальном времени.
- Дают возможность сортировать миллиарды клеток и выделять редкие высокопродуктивные варианты с помощью высокоскоростных сортеров.
- Открывают путь к полностью мультиплексированному инженерному циклу.
Достижения и перспективы
Исследователи из Висс-института уже создали флуоресцентные биосенсоры для производства суперабсорбирующих полимеров и пластиков, таких как акрилат. В ходе работы была создана первая в мире инженерная биологическая pathway для производства акрилата из обычного сахара, а не из нефтепродуктов.
Цитаты:
- Джеймсон Роджерс: «Мы можем буквально наблюдать биологическое производство ценных химикатов в реальном времени... и изолировать самых высоких продуцентов из культур с миллиардами кандидатов».
- Джордж Чёрч: «Флуоресцентные биосенсоры... позволяют исследовать пространство дизайна для конкретных метаболических путей с гораздо большей широтой и глубиной».
- Дональд Ингбер: «Эта новая технология биосенсоров может трансформировать метаболическую инженерию... и оказать положительное влияние на окружающую среду, сделав производство лекарств и химикатов независимым от ископаемого топлива».