Новый метод метаболической инженерии
Исследователи из Института геномной биологии им. Карла Р. Воза (IGB) Университета Иллинойса разработали новый метод, который может изменить подход к метаболической инженерии.
Учёные из исследовательского направления «Дизайн биосистем» IGB, включая профессора химической и биомолекулярной инженерии Хуиминя Чжао, опубликовали статью в Nature Communications, описывающую новый метод, который может сделать процесс метаболической инженерии более эффективным.
Метаболическая инженерия предполагает изменение микроорганизмов для производства ценных продуктов, таких как биотопливо и химикаты. Это достигается путём изменения или удаления экспрессии генов для модификации генома микроорганизма. В этом процессе для достижения конкретных целей модифицируется несколько участков генома.
«Мы можем легко найти несколько мишеней для метаболической инженерии, чтобы улучшить желаемый фенотип, — говорит соавтор работы Цзячжан Лиан. — Как объединить эти полезные генетические модификации — одна из самых больших проблем в этой области».
Традиционно исследователи тестируют эти мишени по отдельности в серии трудоёмких шагов, что ограничивает продуктивность и выход конечного продукта — два ключевых параметра процесса.
Новый метод объединяет все эти шаги и выполняет их одновременно, делая процесс быстрее и проще. Он основан на системе CRISPR — методе генетического редактирования, использующем набор последовательностей ДНК для изменения генов в клетке.
Система использует три типа генетических манипуляций, часто применяемых в метаболической инженерии:
- Транскрипционная активация
- Транскрипционная интерференция
- Делеция гена
Применяя эти манипуляции одновременно, учёные могут исследовать разные их комбинации и находить оптимальную.
«Теперь мы можем работать с 20 мишенями, — поясняет Хуиминь Чжао. — Мы можем реализовать все эти манипуляции для каждой мишени комбинаторным способом, чтобы выяснить, какая комбинация даст более высокую продуктивность или выход конечного продукта».
Метод протестировали на виде дрожжей, используемых в виноделии, хлебопечении и производстве биотоплива. Показано, что его применение может улучшить производство конкретного продукта.
Их система, названная CRISPR-AID, позволит исследователям легко изучать все возможные комбинации мишеней. Ключевая задача — найти среди них оптимальную.
«Если сравнить метаболическую инженерию с баскетбольной командой, нельзя построить сильную команду, просто собрав вместе лучших игроков, — проводит аналогию Лиан. — Вместо этого нужно найти тех, кто может сотрудничать и работать синергетически».
Новая система открывает тысячи и даже миллионы возможных комбинаций, что создаёт новую логистическую проблему. Для поиска лучших комбинаций планируется использовать методы высокопроизводительного скрининга или роботизированные системы, такие как iBioFAB, расположенная в IGB система для автоматизированного создания синтетических биосистем.
«Я верю, что сочетание CRISPR-AID с высокопроизводительным скринингом и iBioFAB значительно продвинет область метаболической инженерии в ближайшем будущем», — заявил Лиан.
Чжао надеется протестировать метод на других организмах, используя те же инженерные принципы, но адаптируя протокол.
В перспективе учёные планируют выйти на уровень всего генома — тестировать все гены организма одновременно, что станет значительным скачком в области.
«Если мы сможем это сделать, мы сделаем процесс по-настоящему модульным, а также стандартизируем процедуру, — говорит Чжао. — Тогда мы действительно увеличим пропускную способность и скорость метаболической инженерии».
Поскольку многие исследования направлены на конструирование микроорганизмов для производства биотоплива и химикатов, любые инструменты, ускоряющие процесс, важны. Чжао уверен, что их метод — именно такой инструмент.
«Это не просто постепенное улучшение, — подчёркивает он. — Это новый способ заниматься метаболической инженерией».