Инженеры повысили продуктивность бактерий с помощью генетического переключателя
Химические инженеры MIT разработали новый генетический переключатель, который позволяет резко увеличить производство бактериями полезных химических веществ, отключая конкурирующие метаболические пути в клетках.
В статье, опубликованной 13 февраля в Nature Biotechnology, исследователи показали, что могут значительно повысить выход глюкаровой кислоты — предшественника таких продуктов, как нейлон и моющие средства. Этот генетический переключатель также можно легко внедрить в бактерии, производящие другие вещества.
"Мы можем модифицировать микробные клетки для производства многих химических веществ из простых сахаров, но клетки предпочитают использовать эти сахара для роста и размножения. Задача — создать систему, в которой мы получаем достаточно роста для продуктивной микробной 'химической фабрики', но не настолько много, чтобы не перенаправить достаточное количество сахаров по нужному пути для синтеза целевых молекул", — говорит Кристала Пратер, старший автор исследования.
Динамический переключатель
Для производства сложных продуктов, таких как глюкаровая кислота, часто требуется добавить несколько генов, кодирующих ферменты для каждого этапа синтеза, и отключить конкурирующие пути в клетке. Однако время отключения критически важно: если конкурирующий путь необходим для роста клеток, его раннее выключение ограничит численность популяции и снизит выход целевого соединения.
Исследователи ранее сконструировали E. coli для производства глюкаровой кислоты, добавив три гена. Эти гены позволяют бактериям превращать глюкозо-6-фосфат в глюкаровую кислоту. Однако глюкозо-6-фосфат также является промежуточным продуктом в ключевом пути расщепления глюкозы, который обеспечивает клетки энергией для роста.
Для получения больших количеств глюкаровой кислоты необходимо было отключить путь расщепления глюкозы, перенаправив глюкозо-6-фосфат в альтернативный путь. При этом нужно было тщательно выбрать момент отключения, чтобы популяция клеток успела вырасти.
"Идея в том, чтобы автономно остановить рост клеток в середине производственного цикла, чтобы они могли направить все доступные сахара глюкозы на производство глюкаровой кислоты", — говорит ведущий автор Апурв Гупта.
Механизм на основе чувства кворума
Для этого исследователи использовали явление чувства кворума — способность бактерий координировать экспрессию генов в зависимости от плотности популяции.
Помимо генов производства глюкаровой кислоты, в каждую клетку добавили ген белка, синтезирующего небольшую молекулу AHL. Клетки выделяют AHL в окружающую среду. Когда её концентрация достигает определённого порога, активируется переключатель, заставляющий все клетки прекратить производство фермента фосфофруктокиназы (Pfk), который является частью пути расщепления глюкозы.
С выключенным Pfk глюкозо-6-фосфат накапливается и перенаправляется в альтернативный путь, производящий глюкаровую кислоту. Создав библиотеку клеток, производящих AHL с разной скоростью, исследователи смогли определить оптимальное время для отключения Pfk.
Используя этот переключатель, учёные получили около 0.8 грамма глюкаровой кислоты на литр бактериальной культуры. Клетки, сконструированные для производства кислоты, но без метаболического переключателя, почти ничего не производили.
Универсальность подхода
Такой переключатель применим и к другим инженерным метаболическим путям, поскольку генетическую схему можно настроить на отключение других генов.
В качестве демонстрации исследователи протестировали подход на пути производства шикимата — предшественника нескольких аминокислот и компонента таких лекарств, как Тамифлю. Они использовали молекулу AHL для отключения фермента, который продвигает шикимат дальше по пути синтеза аминокислот, что позволило шикимату накапливаться в клетках. Без переключателя клетки не могли накапливать шикимат.
Команда MIT сейчас работает над стратегиями создания многоуровневого автономного контроля, позволяющего отключать один путь и одновременно включать другой.