Metabolic route explorer помогает оптимизировать пути искусственного биосинтеза ценных продуктов

Искусственный синтез природных соединений для медицинского и коммерческого использования может быть улучшен с помощью нового программного обеспечения, разработанного исследователями из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии. Система, названная metabolic route explorer (MRE), предназначена для оптимизации гетерологичных путей биосинтеза, учитывая больше информации, чем существующее ПО.

При гетерологичном биосинтезе такие организмы, как дрожжи и бактерии, генетически модифицируют для производства больших количеств специфических продуктов, имеющих медицинскую или коммерческую ценность.

«Примеры — производство противомалярийных препаратов в пекарских дрожжах и производство паучьего шёлка в Escherichia coli», — пояснил Синь Гао из Центра вычислительной бионауки KAUST, руководивший работой.

Программное обеспечение можно использовать для проектирования наиболее подходящих синтетических путей для гетерологичного биосинтеза, но существующие системы не учитывают возможность нежелательных взаимодействий между собственной метаболической машинерией организма-хозяина и элементами, введёнными в результате инженерии. В результате пути, предлагаемые этими системами, могут быть неоптимальными или, в некоторых случаях, невозможными.

Гао и коллеги разработали MRE для решения этой проблемы. «Для заданной пары исходного и целевого соединений в заданном организме-хозяине MRE ранжирует пути биосинтеза, предсказывая эффекты интеграции новых реакций в эндогенную метаболическую систему хозяина», — сказал Гао.

Исследователи проанализировали производительность MRE на примерах нескольких высокоценных продуктов, уже производимых с помощью гетерологичного биосинтеза.

Одним из примеров было производство нарингенина — антиоксиданта и противовирусного средства против гепатита C. MRE превзошёл несколько других программ, поставив используемый в настоящее время путь биосинтеза на первое место. Более того, это была единственная система, выявившая «узкое место» в этом пути, что открывает возможность для оптимизации.

В другом примере путь, который MRE оценил как наилучший для производства артемизиновой кислоты — предшественника противомалярийного препарата артемизинина — оказался немного другим и более энергоэффективным, чем используемый в настоящее время синтетический маршрут.

MRE не только превосходит другое ПО в идентификации оптимальных путей, но и его дизайн предлагает ещё одно преимущество: многие существующие системы предлагают пути, включающие ферменты или белки, не существующие в природе, но которые необходимо синтезировать, и MRE также обходит эту проблему.

«MRE был разработан для предложения существующих ферментов, которые можно использовать для гетерологичных путей, поэтому он использует подход «снизу вверх», при котором путь биосинтеза проектируется с хорошо охарактеризованными метаболическими элементами», — сказал Гао. «Ожидается, что система предложит новые идеи для проектирования и оптимизации систем гетерологичного биосинтеза».