Новая методика синтетической биологии повышает микробное производство дизельного топлива
Исследователи из Объединенного института биоэнергетики (JBEI) Министерства энергетики США разработали новый метод в синтетической биологии, значительно повышающий микробное производство чистого, экологичного и возобновляемого биодизеля. Метод, названный динамической сенсорно-регуляторной системой (DSRS), способен отслеживать метаболические изменения в микробах во время производства топлива или химикатов на основе жирных кислот и контролировать экспрессию генов, влияющих на это производство. В одном эксперименте это привело к трехкратному увеличению выхода биодизеля из глюкозы.
"DSRS — это удивительный и мощный новый инструмент, первый пример синтетической системы, способной динамически регулировать метаболический путь для улучшения производства топлива и химикатов на основе жирных кислот, пока микробы находятся в биореакторе", — говорит Джей Кислинг, глава JBEI и ведущий специалист в области синтетической биологии.
Исследование, соответствующей автором которого является Кислинг, опубликовано в журнале Nature Biology под заголовком "Design of a dynamic sensor-regulator system for production of FA-based chemicals and fuels". Соавторы — Фучжун Чжан и Джеймс Кэротерс.
Жирные кислоты, богатые энергией молекулы растительных клеток, называют "природной нефтью". Они служат сырьем для биодизеля и множества химических продуктов (поверхностно-активные вещества, растворители, смазочные материалы).
"Микробное производство топлива и химикатов из жирных кислот — более зеленая и устойчивая альтернатива химическому синтезу, — говорит ведущий автор статьи Фучжун Чжан. — Однако для экономической жизнеспособности, особенно в случае биотоплива, критически важны высокая продуктивность, титры и выход".
Главной проблемой были метаболические дисбалансы во время синтеза. Слишком низкая экспрессия генов создает "узкие места" в пути, а слишком высокая — отвлекает ресурсы клетки на производство ненужных ферментов или промежуточных метаболитов, что может быть токсично для микроба и снижать выход.
Предыдущие стратегии обеспечивали лишь статический контроль и не могли адаптироваться к изменяющимся условиям в биореакторе. DSRS решает эту проблему, отслеживая ключевые промежуточные метаболиты в инженерном пути и регулируя гены, контролирующие их производство и потребление, для оптимизации продуктивности в реальном времени.
"Природа создала сенсоры для биосинтетических промежуточных продуктов, но естественные регуляторы редко подходят для регулирования инженерного пути, так как они эволюционировали для выживания хозяина, а не для производства химикатов в больших количествах", — поясняет Чжан.
Для создания DSRS ученые использовали штамм бактерий Escherichia coli (E. coli), сконструированный в JBEI для прямого производства дизельного топлива из глюкозы. Они разработали:
- Биосенсоры для ключевого промежуточного метаболита — ацил-КоА жирных кислот.
- Набор синтетических промоторов (сегментов ДНК), которые усиливают экспрессию определенных генов в ответ на уровень ацил-КоА в клетке.
Эти гибридные промоторы активируются полностью только при наличии жирных кислот и индукционного реагента IPTG, что исключает "утечку" экспрессии генов и позволяет точно регулировать производство.
Внедрение DSRS в штамм E. coli, производящий биодизель, улучшило стабильность штамма и утроило выход топлива, достигнув 28% от теоретического максимума. Дальнейшая оптимизация должна повысить выход еще больше.
"Учитывая большое количество доступных природных сенсоров, наша стратегия DSRS может быть расширена на многие другие биосинтетические пути для балансировки метаболизма, увеличения выхода продукта и стабилизации производственных штаммов, — говорит Чжан. — Однажды станет возможным динамически регулировать любой метаболический путь, чтобы сделать микробное производство товарных химикатов и топлива конкурентоспособным в коммерческих масштабах".