Исследователи проанализировали почти 8000 путей к улучшению клеточных фабрик
Микроорганизмы, эффективно превращающие растительную биомассу в возобновляемое биотопливо и биохимикаты, играют ключевую роль в устойчивом обществе будущего. Однако эффективность этих микробных клеточных фабрик подавляется несколькими соединениями, высвобождаемыми при расщеплении биомассы на сахара. Исследователи из Технологического университета Чалмерса стали на шаг ближе к решению этой проблемы, опубликовав результаты в Biotechnology Advances.
Пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae используются для ферментации лигноцеллюлозы из растительной биомассы. Но производительность клеток ингибируется различными соединениями, такими как фураны, кислоты и фенолы, которые высвобождаются при предварительной обработке биомассы. Это затрудняет использование биопроцессов как рентабельной альтернативы традиционному производству.
Цель — повышение продуктивности клеток
Эффективная ферментация лигноцеллюлозы могла бы оказать большое влияние на общество, и в этой области уже проведено множество исследований. Во многих работах ученые генетически модифицировали различные штаммы дрожжей, чтобы повысить устойчивость клеточных фабрик к разным ингибиторам и, как следствие, их продуктивность.
Доцент Ивонн Нюгорд и ее коллеги провели компилятивный анализ информации из предыдущих исследований для дальнейшего развития эффективных дрожжей.
"При разработке новых клеточных фабрик мы хотим использовать все накопленные знания. Наша цель — с помощью технологии CRISPR/Cas9 объединить и точно настроить генетические модификации, ранее показавшие свою эффективность для ферментации лигноцеллюлозы", — говорит Ивонн Нюгорд.
Объем данных предыдущих исследований огромен, и база данных ученых росла по мере углубления в тему.
"Нам стало сложнее выбирать из всех данных. Кроме того, мы заметили, что различные эксперименты сильно отличались друг от друга, что затрудняло сравнение данных и выводы. Мы провели систематический анализ, чтобы помочь нашей собственной работе. Вскоре у нас возникла идея поделиться базой данных и анализом с другими, и мы решили обобщить наши результаты в обзоре", — поясняет она.
Собраны и проанализированы данные 7971 предыдущего эксперимента
Исследователи собрали данные 7971 предыдущего эксперимента из 103 исследований, в которых модифицировали устойчивость разных штаммов пекарских дрожжей к наиболее распространенным ингибиторам в предварительно обработанной лигноцеллюлозе (так называемом гидролизате лигноцеллюлозы): уксусной кислоте, муравьиной кислоте, фуранам и фенольным соединениям. Мутанты, включенные в анализ, демонстрировали повышенную или пониженную толерантность к отдельным ингибиторам или их комбинациям.
Эффекты ингибиторов на клетки варьируются от снижения скорости роста, выживаемости и жизнеспособности клеток до выхода продукта. Ингибирующий эффект зависит от присутствия отдельных ингибиторов и факторов окружающей среды, включая pH, температуру и доступность питательных веществ.
"Наш анализ показал, что результаты очень часто характеризовались штаммом и условиями культивирования. Хотя уже проделано так много работы, относительно немного генетических модификаций было использовано в разных генетических фонах штаммов или для конверсии различных типов биомасс", — отмечает Ивонн Нюгорд.
Разработка новых клеточных фабрик может быть ускорена
Работу по созданию новой клеточной фабрики можно ускорить, применяя генетические модификации, которые демонстрируют преимущества в нескольких разных штаммах или повышают устойчивость к различным ингибиторам. Кроме того, исследование описывает биологические механизмы, лежащие в основе различных генетических модификаций, которые в нескольких работах привели к получению лучших штаммов. Таким образом, оно способствует углублению знаний о требованиях для разработки более устойчивых клеточных фабрик.