Системная инженерия клеточных фабрик почти удваивает выход продукта, предлагая устойчивую альтернативу ископаемому топливу

Инженеры из Центра интегративной синтетической биологии Уорикского университета и факультета биоинженерии Имперского колледжа Лондона показали, как модифицировать микробные "клеточные фабрики" для увеличения производства высокоценных химических веществ, используемых в бытовых товарах, одежде и продуктах питания.

До сих пор клеточные системы были менее эффективны, чем существующие нефтехимические процессы, из-за естественных ограничений в живых клетках. Однако с помощью компьютерного моделирования команда продемонстрировала, что простые усовершенствования существующих методов могут повысить производство почти в два раза.

Модификация живых клеток (таких как бактерии и дрожжи) для производства химикатов может создать более экологичную химическую промышленность. Это позволит заменить углеродоемкие нефтехимические системы на биологические клеточные фабрики, превращающие дешевое и устойчивое сырье в ценные химические вещества.

Доктор Александр Дарлингтон, научный сотрудник Королевской инженерной академии и доцент Уорикского университета, заявил: "Наше исследование предлагает стратегии проектирования бактерий, которые проще реализовать, чем те, которые в настоящее время считаются передовыми".

"Мы протестировали около 500 различных механизмов контроля и обнаружили два новых для науки, которые открывают четкий путь к более эффективному биосинтезу химических веществ. Это позволит наладить устойчивое производство всего — от лекарств до пластика, продуктов, которые мы используем каждый день".

Команда обнаружила, что наибольшие производственные возможности обеспечивают конструкции, которые перепрограммируют клетки на снижение приоритета роста в пользу синтеза продукта. Конструкции, отключающие рост позже, после достижения клетками большой популяции, по прогнозам, достигают более высоких уровней производства за самое короткое время, а те, которые также увеличивают потребление питательных веществ, должны обеспечивать еще более высокий выход.

Исследование также учитывало эконометрику производства — моделирование экономических данных. Это указывает производителям на необходимость проектировать свои системы либо для оптимизации более высокой производительности (быстрого производства), чтобы максимизировать количество произведенного продукта за кратчайшее время при высоком спросе на химикат, либо для оптимизации более высокого выхода (больше продукта из того же сырья), если сырье дорогое или рыночная стоимость химиката низкая.

Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Доктор Ахмад Маннан, научный сотрудник постдокторантуры Имперского колледжа Лондона, сказал: "Как инженер, я хочу минимизировать негативное влияние нашей жизни на других и окружающую среду и добиться устойчивого и возобновляемого химического производства — и бактерии могут этому способствовать".

"Обладая знаниями на стыке математики, молекулярной биологии и синтетической биологии, мы раскрываем простые правила, которые должны позволить нам использовать возможности природы и добиться экономически жизнеспособного химического производства".

Команда сейчас тестирует эти новые принципы проектирования в лаборатории, чтобы дать партнерам из промышленности уверенность, необходимую для внедрения этих методов в свои программы НИОКР. Способность значительно повысить химическую продуктивность бактерий — это огромный шаг к масштабированию биологического химического производства. Поскольку 14% всех парниковых газов приходится на синтез химикатов из ископаемого топлива, клеточные фабрики предлагают альтернативу, которая может помочь правительству Великобритании достичь цели по нулевым выбросам к 2050 году.