Метаболически модифицированные организмы могут устойчиво производить ингредиенты для натуральных продуктов, ароматизаторов и отдушек

Спрос на органические продукты и натуральные ароматы растет, но добыча ингредиентов для них истощает природные ресурсы. Решение — использовать микроорганизмы, которые производят «натуральные» ингредиенты в биореакторах на дешевом сырье.

Микробы могут производить «природоидентичные» соединения. Несколько изменений в метаболизме нужных микроорганизмов позволяют наладить промышленное производство, которое часто превосходит химический синтез или экстракцию по скорости и рентабельности.

Платформа BioTransformation Innovation Platform (BioTrans) в составе кластера A*STAR Food, Nutrition and Consumer Care (FNCC) уже фиксирует резкий рост выхода продуктов из дрожжей и бактерий. С момента запуска в 2016 году BioTrans сосредоточилась на пяти целях:

• Максимизация выхода продукта через Микробную Метаболическую Платформу.
• Ускорение разработки продуктов для выхода на рынок через Платформу Ферментации и Очистки.
• Открытие новых соединений и штаммов путем изучения обширной Библиотеки Натуральных Продуктов A*STAR.
• Развитие более здоровых вкусовых добавок в рамках Платформы Вкусовых Рецепторов BioTrans.
• Исследование ароматов и метаболитов, комбинируя масс-спектрометрию с органолептикой, на Аналитической Платформе.

Успех в производстве ароматов

Улучшения в скорости производства микробов последовательно появляются на Микробной Метаболической Платформе BioTrans. В 2017 году, увеличив выход ликопина у штамма E. coli, исследователи сообщили о беспрецедентных урожаях двух востребованных натуральных ароматических соединений — альфа-ионона (сладкий, фиалковый аромат) и бета-ионона (аромат фиалки или малины). Исследователи BioTrans превзошли известную скорость производства бета-ионона дрожжами, улучшив выход в 80 раз с помощью E. coli.

Ликопин — каротиноидный пигмент, делающий помидоры красными, — один из главных предшественников этих апокаротиноидов. Глобальный рынок каротиноидов, как ожидается, достигнет 1.53 млрд долларов США к 2021 году.

Команда BioTrans разделила биосинтетический путь производства апокаротиноидов в E. coli на четыре «модуля» и оптимизировала ферментативные шаги в каждом с помощью генной и ферментной инженерии. Этот «plug-and-play» подход позволяет производить различные апокаротиноиды, меняя один-два гена, не нарушая работу всего штамма. Система также работает с ликопином, бета-каротином, фитоеном и ретинолом (витамином A).

Следующий шаг — патентование системы. Уже ведутся переговоры с компаниями о совместной разработке биопроцесса для коммерциализации.

Ускоренное производство антиоксидантов

В 2018 году, основываясь на работе с апокаротиноидами, группа использовала E. coli для производства антиоксиданта астаксантина (другого типа каротиноида) с увеличением выхода на 1600% по сравнению с текущими методами.

Астаксантин демонстрирует сильную антиоксидантную, противовоспалительную и противораковую активность, что подтверждено более чем 50 клиническими испытаниями на людях. Глобальный рынок астаксантина, как ожидается, достигнет 2.57 млрд долларов США к 2025 году.

Большая часть коммерческого астаксантина производится из водоросли Haematococcus pluvialis. Этот процесс медленный, требует много земли и обходится дороже 7000 долларов США за килограмм.

Используя тот же модульный подход, команда BioTrans и Национального университета Сингапура разработала сложную самообучающуюся систему — многомерный эвристический процесс (MHP), способный балансировать ферментативную активность внутри и между разными модулями одновременно.

С помощью этого подхода команда сообщила в Nature Communications о скорости производства природоидентичного астаксантина, которая была в 16 раз выше, чем у производства на основе водорослей, с 100% энантиомерным избытком (мерой чистоты).

Текущая технология позволяет производить астаксантин в высоких концентрациях и с низкой себестоимостью в малых масштабах. Следующая задача — масштабирование процесса в больших ферментерах объемом до десяти кубометров.

Система MHP уже была применена для оптимизации производства неролидола (свежий, древесный аромат) и линалоола (цитрусовые тона). С помощью MHP E. coli производила линалоол в 680 раз быстрее, чем ранее модифицированный штамм дрожжей.

Поиск новых вкусов

Исследователи Платформы Вкусовых Рецепторов BioTrans ищут в Библиотеке Натуральных Продуктов (NPL) A*STAR молекулы, которые могут улучшать вкусовые ощущения, чтобы предоставить людям более здоровый выбор.

Библиотека NPL, основанная в 2013 году, содержит более 37 500 образцов растений, 123 000 микробных штаммов и 270 000 экстрактов из этих образцов, собранных в более чем 100 странах. Коллекция представляет 57% всех известных культивируемых родов грибов, 67% семейств растений мира и 70% родов нитчатых бактерий.

Для использования этого ресурса исследователи BioTrans разработали клеточные системы, имитирующие человеческие вкусовые реакции на сладкое и горькое, что позволяет быстро оценивать тысячи молекул. Эти системы быстрее и дешевле, чем сенсорные панели из людей.

Особый интерес представляют молекулы для борьбы с диабетом. К 2050 году у половины населения Сингапура будет диабет 2 типа. Исследователи ищут усилители сладкого вкуса (которые сами не сладкие, но усиливают ощущение сладости) и блокаторы горечи, чтобы уменьшить количество сахара в продуктах.

Также изучаются «сенсаты» — молекулы, отвечающие за ощущения охлаждения, согревания или покалывания, которые важны для восприятия качества продукта потребителем.

Микробный двигатель для индустрии

Хотя синтез остается основным источником химикатов для пищевой и парфюмерной промышленности, в будущем биосинтез будет наравне с химическим синтезом. Основные направления работы: открытие новых ферментов и метаболитов (например, терпеноидов), инженерия ферментов и углубление фундаментального понимания биосинтеза.

Главная задача сейчас — внедрение. Условия промышленных процессов далеки от тех, в которых эволюционировали микробы. Платформа оценивает, насколько устойчивы будут метаболически модифицированные микробы при переносе в промышленные стратегии ферментации.

BioTrans была задумана как инициатива, ориентированная на индустрию, что дает ей конкурентное преимущество в обсуждении с компаниями их амбициозных планов по выводу новых молекул на рынок.

Сингапур идеально расположен, чтобы стать хабом для R&D, ориентированного на азиатского потребителя, и разрабатывать новые молекулы, которые могут не входить в планы США или Европы. В результате новая волна продуктов, созданных в Сингапуре с помощью микробов, скоро может появиться на полках.