Гибридный контроллер повышает эффективность биосинтеза

Системы управления широко используются в промышленности для поддержания процессов в безопасном и эффективном диапазоне. Часто для улучшения производительности комбинируют разные типы контроллеров, например, высокоуровневые, основанные на математическом моделировании, и низкоуровневые, такие как пропорционально-интегрально-дифференциальный (PID) регулятор, работающий на основе обратной связи.

Однако в биосинтетическом производстве, где модифицированные бактерии производят целевые вещества, управление осложняется двумя факторами: сложностью точного измерения концентраций веществ внутри клеток и несоответствием между математическими моделями и реальным процессом (process-model mismatches, PMMs).

Исследовательская группа под руководством аспиранта Томоки Оокубо из Научно-технологического института Нары и доцента Кацуюки Куниды из Университета здоровья Фудзита (Япония) предложила решение этой проблемы. В исследовании, опубликованном в Scientific Reports 18 ноября 2024 года, они представили доказательство концепции гибридного контроллера «in silico/in-cell» (HISICC).

Суть технологии

HISICC сочетает компьютерный контроллер, основанный на оптимизации модели, с механизмом обратной связи, встроенным непосредственно в штамм бактерии Escherichia coli (E. coli), модифицированный для производства жирных кислот.

Сравнение стратегий управления

В симуляциях команда сравнила три стратегии управления синтезом жирных кислот в E. coli:

  1. Штамм FA2: Базовый подход «без тормозов». Индуктор IPTG вызывает сверхэкспрессию ключевого фермента ацетил-КоА-карбоксилазы (ACC), что повышает выход жирных кислот, но может привести к цитотоксичности.
  2. Штамм FA3 (HISICC): Содержит встроенный клеточный контур обратной связи. При слишком высоком уровне ACC активируется продукция белка-репрессора лактозы, который подавляет сверхэкспрессию ACC. Внешний индуктор IPTG при этом может повышать экспрессию ACC.
  3. Штамм FA4: Не имеет обратной связи, но содержит второй «входной канал» для внешнего управления продукцией белка-репрессора лактозы, выступая в роли внешней «тормозной системы».

Результаты

Моделирование с учётом различных PMMs показало, что штаммы FA3 и FA4 работают лучше, чем FA2. Возможность снижать сверхэкспрессию ACC до негативного воздействия на клетки позволяла задавать более высокий её начальный уровень, что вело к большему выходу продукта. Стратегия HISICC (FA3) показала наивысший выход жирных кислот.

Перспективы

По словам доктора Куниды, результаты демонстрируют потенциал HISICC с внутриклеточным биосенсингом для решения проблемы PMM. Использованный в исследовании внутриклеточный контроллер имеет простую структуру, и ожидается, что более совершенные контроллеры, способные к дифференциальному управлению, значительно улучшат производительность.

Эта технология может лечь в основу новых стратегий управления сложными промышленными биопроцессами, повышая эффективность производства топлив и химикатов, снижая затраты и минимизируя воздействие на окружающую среду.