Южнокорейские ученые создали штамм E. coli для производства промышленного химиката
Исследователи из Южной Кореи успешно создали генетически модифицированную бактерию E. coli, способную производить важный промышленный химикат — путресцин. Работа, опубликованная в журнале Biotechnology and Bioengineering, предлагает возобновляемую альтернативу традиционному производству этого вещества из ископаемого топлива.
Путресцин — это диамин с цепью из четырех атомов углерода. Он является важной платформенной молекулой для фармацевтической, агрохимической и химической промышленности. В частности, он используется для синтеза нейлона-4,6 — широко применяемого инженерного пластика. Текущая цена путресцина превышает €1600 за тонну при годовой потребности около 10 000 тонн, которая, как ожидается, будет расти.
В настоящее время промышленное производство путресцина основано на химическом синтезе, требующем невозобновляемых нефтехимических продуктов и дорогих катализаторных систем. Этот процесс высокотоксичен и пожароопасен, что несет серьезные риски для окружающей среды и здоровья человека.
Команда под руководством профессора Санг Юп Ли из KAIST впервые разработала биотехнологический метод производства путресцина из возобновляемого сырья.
«Впервые мы создали метаболически инженерный штамм E. coli, эффективно производящий путресцин, — заявил профессор Ли. — Развитие биорефайнинга для химикатов и материалов крайне важно в мире, где зависимость от ископаемого топлива вызывает все большую озабоченность».
Метаболическая инженерия
Ученые использовали метаболическую инженерию — усиление метаболических и регуляторных сетей клетки для увеличения выхода целевого продукта. Для этого они:
- Ослабили или удалили конкурирующие метаболические пути в штамме E. coli.
- Удалили пути, приводящие к деградации путресцина.
- Амплифицировали ключевой фермент Spec C, который превращает орнитин в путресцин.
- Модифицировали экспортер путресцина для вывода молекулы из клетки.
- Изменили глобальный регулятор для дальнейшего увеличения концентрации путресцина.
В результате был получен штамм E. coli, производящий 24,2 г путресцина на литр.
Изучение толерантности
Поскольку считалось, что путресцин токсичен для микроорганизмов, перед масштабированием ученые изучили устойчивость E. coli к этому веществу. Результаты показали, что бактерия может переносить концентрацию путресцина не менее 0,5 M, что в десять раз превышает обычный клеточный уровень.
«Предполагаемая ранее токсичность путресцина может объяснять, почему его микробное производство оставалось без внимания, — отметил Ли. — Теперь создан штамм E. coli, способный эффективно производить путресцин из возобновляемых ресурсов в промышленных масштабах. Эта схема метаболической инженерии должна быть полезна для создания микроорганизмов, производящих и другие химикаты».