Эффективное «включение» бактерий для производства высокоценных химических веществ

Высокоценные химические вещества, используемые в биотопливе и фармацевтике, можно получать из бактерий, переключая их метаболизм на производство новых продуктов. Исследователи из Университета Уорика нашли способ резко снизить стоимость такого «переключения».

Химические вещества используются повсеместно, от консервантов до лекарств и косметики. Многие из них — производные нефтехимии, и их синтез не является устойчивым. Поэтому крайне важно найти альтернативные способы промышленного, устойчивого и дешёвого производства химикатов.

Бактерии можно рассматривать как природные микро-химические фабрики. Многие исследователи пытаются понять, как перенастроить их сложную сеть химических реакций для преобразования дешёвого сырья (например, глюкозы) в полезные продукты.

Обычно генетические переключатели активируются добавлением химического индуктора. Однако индукторы дороги, и их часто нужно добавлять постоянно, чтобы система не вернулась в исходное состояние (как «выключатель с пружиной»). Это делает такой подход дорогостоящим и экономически нецелесообразным для масштабирования до промышленного уровня.

В статье «Designing an irreversible metabolic switch for scalable induction of microbial chemical production», опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи из Школы инженерии Университета Уорика нашли дешёвый способ перевести бактерии в режим производства химикатов.

Под руководством доктора Ахмада А. Маннана и профессора Деклана Г. Бейтса из Центра интегративной синтетической биологии Уорика было проведено теоретическое исследование. Учёные изучили, как можно использовать биосенсоры E. coli, реагирующие на дешёвые природные питательные вещества (например, олеиновую кислоту), для создания переключателей.

С помощью математических моделей и принципов инженерии контуров обратной связи (аналогичных используемым в системах управления полётом) они обнаружили, как создать генетический переключатель в бактериях, который убирает «возвратную пружину». Это позволяет навсегда перевести клетку в режим химического производства с помощью всего лишь однократной добавки дешёвого природного питательного вещества, что резко снижает затраты.

Ключевые выводы и перспективы:

• Разработан принцип создания необратимого метаболического переключателя.
• Для активации требуется лишь однократный импульс дешёвого индуктора (например, олеиновой кислоты), а не его постоянное добавление.
• Это открытие — важный шаг к экономически жизнеспособному масштабированию микробного производства химикатов.
• Такой переключатель должен быть универсальным и применимым ко многим промышленно значимым микроорганизмам и для синтеза широкого спектра веществ.
• Следующие шаги — определить оптимальные точки приложения этого «светофора» в метаболических путях и начать сотрудничество с промышленностью для внедрения в существующие процессы ферментации.