Гибридный контроллер решает проблему несоответствия модели и процесса в биотехнологии

Основная задача биопроцессной инженерии — увеличить выход целевого продукта, сохраняя высокую скорость производства и низкое потребление сырья. Оптимизация достигается контролем поведения микроорганизмов. Однако возникает проблема несоответствия модели и процесса (PMM), когда предсказания компьютерной модели расходятся с реальностью.

Исследование в Scientific Reports предлагает метод решения PMM с помощью гибридного контроллера, сочетающего компьютерное управление и генетические схемы в клетках.

Суть метода

Предложен гибридный контроллер (HISICC), объединяющий:

  1. Высокоуровневый in silico контроллер — компьютерная модель для прогноза оптимальных условий (температура, pH).
  2. Низкоуровневый внутриклеточный (in-cell) контроллер — синтетические генетические цепи в бактериях, обеспечивающие обратную связь по реальным параметрам (уровни нуклеиновых кислот, метаболитов).

Экспериментальная проверка

Для проверки использовали два штамма генетически модифицированной Escherichia coli:

  • TA1415 — содержит метаболический тумблер (MTS), но не имеет полной цепи обратной связи.
  • TA2445 — содержит MTS и специализированную генетическую схему, обеспечивающую обратную связь в реальном времени по плотности клеток. Схема активируется реагентом IPTG.

Цель — оптимизировать производство изопропанола.

Результаты

Включение штамма TA2445 в биопроцесс привело к оптимальной регуляции цепи MTS в условиях искусственно созданного PMM. Обратная связь по плотности клеток предотвратила падение выхода изопропанола из-за PMM и обеспечила более высокий выход продукта.

Вывод: Гибридная система управления эффективно компенсирует PMM и поддерживает эффективность микробного производства.

Значение работы

  • Представлен новый подход, где сами инженерные бактериальные клетки выступают в роли низкоуровневых контроллеров.
  • Метод открывает путь к более эффективной и надежной оптимизации биопроцессов.
  • Технология может быть адаптирована для экономичного и экологичного производства химикатов и биотоплива, что способствует борьбе с изменением климата.

Как отмечают авторы, докторант Томоки Окубо и доцент Кацуюки Кунида: «Система HISICC предлагает перспективное решение проблемы PMM в биопроцессной инженерии».