Ускоренное создание штаммов для быстрого биопроизводства
Использование модифицированных микробов в качестве микроскопических фабрик обеспечило мир стабильными источниками жизненно важных лекарств, революционизировало пищевую промышленность и позволило создавать устойчивые версии ценных химических веществ, ранее производимых из нефти.
Однако за каждым биотехнологическим продуктом на рынке сегодня стоят годы работы и миллионы долларов на исследования и разработки. Ученые из Berkeley Lab хотят помочь развивающейся отрасли достичь новых высот, ускорив и оптимизировав процесс создания микробов для производства важных соединений с эффективностью, готовой к коммерциализации.
Команда под руководством старшего научного сотрудника Аиндрилы Мукхопадхьяй разработала рабочий процесс, который объединяет редактирование генов CRISPR с набором вычислительных моделей экспрессии генов и активности ферментов у микробов для прогнозирования необходимых генетических изменений. Их последняя работа недавно опубликована в Cell Reports.
«Большая часть разработки штаммов по-прежнему основана на методе проб и ошибок, что трудоемко и требует много времени. Мы продемонстрировали, что, объединяя целевые подходы, фокусирующиеся на конкретных генах и белках, с методами, моделирующими весь геном, можно значительно сократить циклы разработки продукта с лет до месяцев», — сказал соавтор Томас Энг, заместитель директора по инженерии хозяев в JBEI.
Рабочий процесс, названный Product Substrate Pairing (PSP), уже показал большие перспективы для создания штаммов, способных превращать обычные бактериальные источники пищи в целевые молекулы. Но чтобы продемонстрировать истинную силу подхода, их новая работа была сосредоточена на разработке штамма, способного питаться молекулами, полученными из лигнина.
Лигнин — идеальный экологичный прекурсор для питания микробов в биопроизводстве, поскольку он в изобилии содержится в сотнях миллионов тонн растительных отходов, образующихся ежегодно. В настоящее время большинство процессов биопроизводства полагаются на простые молекулы сахара, полученные из специально выращиваемых культур. Однако, перерабатывая уже доступный в изобилии лигнин, ученые JBEI надеются сделать био-производство более возобновляемым и углеродно-нейтральным.
Команда начала со штамма бактерий, которые естественным образом питаются производным лигнина, а затем использовала PSP, чтобы выяснить, какие собственные гены необходимо удалить, какие чужеродные гены нужно вставить и какие условия культивирования требуются для производства бактериями высоких уровней не нативного соединения.
Были оценены тысячи вычислительных конструкций, и в итоге две из них были протестированы в лаборатории. В данном случае они отредактировали бактерии для производства индигоидина — синего красителя, который сам по себе имеет множество применений и служит хорошим заменителем других желаемых молекул. С помощью итеративных циклов компьютерного моделирования и реального культивирования и анализа штаммов, модифицированных CRISPR, авторы продемонстрировали универсальный рабочий процесс, устраняющий зависимость от метода проб и ошибок в разработке штаммов.
«Особый секрет заключается в том, как хорошо зарекомендовавшие себя инструменты интегрированы вместе, чтобы создать рабочий процесс, применимый к любому микробу и любому биопроцессу», — сказала соавтор Дипанвита Банерджи. «Наша революционная статья демонстрирует логичный и эффективный способ создания и тестирования штаммов, основанный на том, как ведут себя клетки на каждом этапе цикла разработки».
Команда также использовала опыт и инструментарий Berkeley Lab для всесторонней характеристики своих микробных фабрик. JBEI использовал методы высокой пропускной способности для быстрой характеристики того, как штаммы изменяли экспрессию своих белков для этой новой цели.
Кэролайн Ларабелл и ее команда провели томографию с использованием мягкого рентгеновского излучения на Advanced Light Source, чтобы получить сверхвысокое разрешение изображений, помогающих определить, какие клетки лучше всего подходят для биопроизводства. Наконец, Блейк Симмонс и ученые из JBEI предоставили образцы сорго, богатого лигнином, чтобы продемонстрировать, как этот процесс биопроизводства будет работать в реальных условиях.
Примерно через год работы команде удалось создать штамм с чрезвычайно высоким выходом продукта — 77%.
«Все предприятие устойчивого биопроизводства зависит от нашей способности использовать широкий спектр исходных материалов», — сказала Мукхопадхьяй. «Однако отдельные методы могут быть ограничены нашим неполным знанием менее изученных прекурсоров. Наш комплексный рабочий процесс использует хорошо разработанные инструменты и должен быть применим ко многим источникам углерода, микробным системам и целям биопроизводства».