Синтетическая система энергетического метаболизма обеспечивает "двойной двигатель" для клетки

Исследовательская группа под руководством профессора Юй Тао из Шэньчжэньского института передовых технологий Китайской академии наук предложила новую синтетическую энергетическую систему, которая поддерживает рост дрожжевых клеток и производство высоковосстановленных химических веществ.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Metabolism 27 октября.

В процессе эволюции клеточный метаболизм был оптимизирован для самовоспроизведения, а не для производства специфических химических веществ. Напротив, рациональный дизайн и метаболическая реконфигурация с использованием современной биотехнологии позволяют превратить клетки в высокопроизводительные фабрики.

Для производства высоковосстановленных химических веществ, например, свободных жирных кислот (FFAs) как вида биотоплива, клеткам необходимо потреблять энергию и преодолевать стехиометрические ограничения химического состава между субстратом и целевым продуктом. Таким образом, перепрограммирование восстановительного/энергетического метаболизма становится эффективным решением.

В этом исследовании синтетическая энергетическая система содержит три модуля: пентозофосфатный (PP) цикл, трансгидрогеназный цикл и внешнюю дыхательную цепь. PP-цикл представляет собой повторяющийся цикл декарбоксилирования, в котором генерируется большое количество восстановителей, например, никотинамидадениндинуклеотидфосфата (NADPH).

Затем трансгидрогеназный цикл может необратимо превращать один NADPH в один никотинамидадениндинуклеотид (NADH) в цитоплазме. Через внешнюю дыхательную цепь энергия может генерироваться из цитозольного NADH.

Исследователи протестировали эволюционировавший штамм E1B с дефицитом пируватдекарбоксилазы. После сверхэкспрессии PP-цикла и блокирования гликолиза штамм не мог расти на глюкозе из-за избыточного накопления NADPH. Экспрессия трансгидрогеназного цикла восстановила нормальный рост клеток. В контексте синтетической энергетической системы рост клеток улучшился, а не ослаб, по мере подавления эндогенной энергетической системы, что указывает на то, что система может стать альтернативой для снабжения энергией для лучшего роста клеток.

Что касается производства восстановительных химических веществ, был достигнут титр сукцината примерно 3,3 г/л. Интегрированная с точно настроенным соотношением между предшественниками, кофакторами и энергией, синтетическая энергетическая система повысила выход FFAs до 40% от максимального теоретического выхода, что является самым высоким показателем, зарегистрированным для Saccharomyces cerevisiae, и демонстрирует потенциал системы для промышленного производства.

«Перепрограммирование энергетического метаболизма демонстрирует, что, несмотря на обширную регуляцию катаболизма у дрожжей, всё ещё возможно перепрограммировать их энергетический метаболизм», — сказал профессор Юй.