Бактерии-«фабрики» производят ценные химические вещества
Исследователи из Института биологически инспирированной инженерии Висса и Гарвардской медицинской школы под руководством генетика Джорджа Чёрча добились значительного прогресса в создании будущего, где основными химическими фабриками мира станут колонии генетически модифицированных бактерий.
В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), учёные модифицировали гены бактерий таким образом, чтобы запрограммировать, какое именно химическое вещество и в каком количестве должны производить клетки через свои метаболические процессы.
Хотя концепция метаболической инженерии (манипулирования бактериями для синтеза полезных веществ) не нова, новые результаты обещают до 30-кратного увеличения выхода продукта. Методика позволяет получать практически бесконечный список химикатов с использованием любых бактерий, например, обычной E. coli. Самый многообещающий аспект — временные масштабы производства стали почти в 1000 раз быстрее, чем при текущих методах.
«Этот прорыв имеет значение для фармацевтического производства, производства биотоплива и возобновляемых химикатов. Увеличив выход продукции в такой огромной степени, мы не только улучшим текущее производство, но и сделаем экономически достижимым производство многих новых химических веществ», — сказал директор-основатель Института Висса Дональд Ингбер.
Команда использует эволюционные механизмы, чтобы заставить бактерии самостоятельно устранять клетки с низкой производительностью. Это устраняет необходимость в постоянном человеческом и технологическом мониторинге и значительно сокращает общее время производства.
«Мы делаем бактерии зависимыми от химических веществ, которые хотим, чтобы они производили», — пояснил ведущий соавтор Джеймсон Роджерс. — «Затем мы обрабатываем их антибиотиком, который позволяет выжить и перейти к следующему раунду эволюции только самым продуктивным клеткам».
Техника делает желаемый химический продукт необходимым для выживания бактерий. Их ДНК модифицируют так, чтобы гены устойчивости к антибиотику активировались только в присутствии определённого целевого химического вещества. В то же время низкопродуктивные клетки становятся высокочувствительными к антибиотику. Выживают и размножаются только те клетки, которые производят достаточно вещества для полной устойчивости. С каждым циклом эволюции бактерии становятся всё более эффективными производителями благодаря принципу «выживания наиболее приспособленных».
«Мы используем эволюцию для отбора клеток, которые лучше всего служат нашей цели, делая человеческий мониторинг менее важным для этой обратной связи и полагаясь на способность бактерий самостоятельно контролировать свою производительность», — сказал старший автор Джордж Чёрч. — «Это основное направление роста в синтетической биологии, где до сих пор в основном фокусировались на разовых экспериментах».