CRISPRi-скрининг выявил источники метаболической устойчивости в E. coli

Метаболическая устойчивость — способность метаболической системы буферизировать изменения окружающей среды — не всегда желательна для микробиологов: она мешает метаболической инженерии или препятствует уничтожению бактерий антибиотиками. Поэтому важно понять механизмы, обеспечивающие эту устойчивость. Массово-параллельный CRISPRi-скрининг показал, что метаболизм E. coli очень устойчив к нокдауну ферментов, а мульти-омиксные данные раскрыли механизмы, стоящие за этим. В будущем исследователи хотят применить эти знания для построения лучших моделей метаболизма, которые позволят рационально конструировать промышленные микроорганизмы.

Чтобы понять, как E. coli справляется с этой задачей, исследователи под руководством доктора Ханнеса Линка из Института микробиологии им. Макса Планка применили технологию CRISPR-интерференции (CRISPRi). Создав нокдауны каждого белка в метаболической сети E. coli, они получили CRISPRi-библиотеку из 7177 штаммов. Глубокое секвенирование библиотеки в ходе конкурентного анализа позволило отслеживать приспособленность каждого CRISPRi-штамма в течение 14 часов. Результаты этого массово-параллельного скрининга оказались неожиданными. В то время как нокдаун всего семи генов — ключевых точек метаболической сети, таких как биосинтез дезоксинуклеотидов для синтеза ДНК — вызывал немедленный и сильный дефект приспособленности, сотни других нокдаунов имели незначительные эффекты.

Как объясняет доктор Ханнес Линк: "Наши результаты продемонстрировали, что клетки E. coli обладают очень высокой метаболической устойчивостью. Для нас, исследователей, устойчивость — не всегда желательное свойство бактерий, например, в ходе биотехнологических применений, если мы хотим изменить метаболизм для сверхпродукции химических веществ. Поэтому важно понять, как E. coli это делает."

Чтобы ответить на этот вопрос, команда измерила протеом и метаболом 30 CRISPRi-штаммов. В некоторых штаммах ответы протеома выявили механизмы, которые активно компенсировали CRISPRi-нокдауны. Например, нокдаун гомоцистеин-трансметилазы (MetE) в пути синтеза метионина вызывал компенсаторную активацию всех других ферментов этого пути. Другими словами, клетки E. coli чувствовали, что нокдаун создал узкое место в биосинтезе метионина, и запускали очень точный и локальный ответ вокруг этого пути. Остальные 30 CRISPRi-штаммов выявили схожие буферизирующие механизмы, которые были удивительно специфичны.

Этот комплексный подход открывает новые возможности для разработки промышленно полезных микробов, как отмечает доктор Ханнес Линк: "В будущем мы хотим использовать эти данные для построения динамических и предсказательных метаболических моделей... Такие модели позволят нам сконструировать клетки E. coli, которые прекращают рост по определённому сигналу и затем концентрируют все метаболические ресурсы на синтезе нужного химического вещества. Это контролируемое разделение роста и сверхпродукции откроет новые горизонты в метаболической инженерии и новые применения в промышленной биотехнологии."