Генетическая схема заставляет микроорганизмы сотрудничать в клеточной фабрике

Микроорганизмы, такие как бактерии, грибы и микроводоросли, широко используются для производства химических веществ с помощью ферментации. Развитие технологий, включая создание искусственного микроорганизма Mycoplasma mycoides в 2010 году, позволяет использовать промышленные штаммы, например, Escherichia coli и дрожжи, в качестве «клеточных фабрик» для производства химикатов и фармацевтических препаратов.

Однако биопроцессы часто ограничены чистыми культурами одного штамма. Совместное культивирование нескольких штаммов для сложных процессов приводит к конкуренции за ограниченные ресурсы, что снижает общую продуктивность.

Совместная исследовательская группа профессора Gyoo Yeol Jung, докторов Chae Won Kang и Hyun Gyu Lim (POSTECH) в сотрудничестве с профессором Jaeyoung Sung и аспирантом Jaehyuk Won (Университет Чунг-Анг) разработала новый биопроцесс. Они внедрили в консорциум совместного культивирования генетическую схему «population guider», которая стимулирует кооперацию микроорганизмов для повышения продуктивности. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.

Большинство современных микробных процессов производства химических веществ используют чистые культуры одного штамма для стабильности. Однако наделить один штамм множеством функций сложно. Альтернатива — совместное культивирование двух или более штаммов с разными возможностями, но стабильность производства не гарантирована из-за конкуренции за рост.

Для решения этой проблемы команда использовала генетическую схему — ключевую технологию синтетической биологии — в качестве «гида» для микроорганизмов. Исследователи создали консорциум из Vibrio sp. dhg (утилизирует альгинат из водорослей) и штамма Escherichia coli (производит 3-гидроксипропионовую кислоту, 3-HP, сырьё для красок, тканей, подгузников) для прямой конверсии альгината в 3-HP.

В штамм E. coli была внедрена генетическая схема «population guider», которая расщепляет ампициллин только при производстве 3-HP. В присутствии ампициллина как фактора селективного давления и стимулятора кооперации консорциум был успешно адаптирован, что привело к увеличению производства 3-HP в 4.3 раза по сравнению с простым совместным культивированием в процессе ферментации.

Профессор Jung пояснил: «Наше исследование впервые показывает, как искусственная генетическая схема в нескольких микробных штаммах может предотвратить снижение продуктивности из-за конкуренции. Эта новая технология — инновация, которая обеспечивает как высокую продуктивность, так и гибкость микробных биопроцессов».