Ненатуральные биомедицинские полимеры, производимые микроорганизмами

Возобновляемая непродовольственная биомасса потенциально может заменить нефтехимическое сырьё для производства источников энергии, полезных химикатов или множества нефтепродуктов, таких как пластики, смазочные материалы, краски, удобрения и капсулы для витаминов. В последние годы био-НПЗ, преобразующие несъедобную биомассу в топливо, тепло, электроэнергию, химикаты и материалы, привлекают большое внимание как устойчивая альтернатива для снижения зависимости от ископаемого топлива.

Корейская исследовательская группа под руководством выдающегося профессора Санг Юп Ли с кафедры химической и биомолекулярной инженерии Корейского института передовых технологий (KAIST) создала систему био-НПЗ для производства ненатуральных полимеров из природных источников, что позволяет изготавливать различные пластики экологически чистым и устойчивым способом. Результаты исследования были опубликованы онлайн в Nature Biotechnology 7 марта 2016 года. Печатная версия выйдет в апреле 2016 года.

Команда использовала подход системной метаболической инженерии для разработки микроорганизма, способного производить разнообразные ненатуральные, биомедицински важные полимеры, и добилась синтеза поли(лактид-ко-гликолида) (PLGA) — сополимера двух различных мономеров, молочной и гликолевой кислот. PLGA является биоразлагаемым, биосовместимым и нетоксичным и широко используется в биомедицинских и терапевтических приложениях, таких как хирургические швы, протезные устройства, доставка лекарств и тканевая инженерия.

Вдохновившись процессом биосинтеза полигидроксиалканоатов (PHA) — биологически получаемых полиэфиров, производимых в природе бактериальной ферментацией сахара или липидов, — команда спроектировала метаболический путь для биосинтеза PLGA посредством микробной ферментации непосредственно из углеводов в штаммах Escherichia coli (E. coli).

Ранее команда сообщала о рекомбинантной E. coli, производящей PLGA с использованием глиоксилатного шунтового пути для генерации гликолята из глюкозы (патенты KR10-1575585-0000, US08883463, JP5820363). Однако они обнаружили, что содержание полимера и доля гликолята в PLGA не могут быть значительно увеличены с помощью дальнейших инженерных методов. Поэтому в данном исследовании команда ввела гетерологичный путь для производства гликолята из ксилозы и успешно разработала рекомбинантную E. coli, производящую PLGA и различные новые сополимеры гораздо эффективнее.

Для производства PLGA микробной ферментацией непосредственно из углеводов команда включила внешние и модифицированные ферменты в качестве катализаторов для сополимеризации PLGA, одновременно создав несколько дополнительных метаболических путей для биосинтеза, чтобы производить ряд различных ненатуральных полимеров, некоторые — впервые. Этот биосинтетический процесс для PLGA и других полимеров может заменить существующее сложное химическое производство, которое включает подготовку и очистку прекурсоров, процессы химической полимеризации и удаление металлических катализаторов.

Профессор Ли и его команда провели in silico масштабное метаболическое моделирование клетки E. coli, чтобы предсказать и проанализировать изменения в метаболических потоках клеток, вызванные введением внешних метаболических путей. На основе этих результатов гены манипулировали для оптимизации метаболических потоков путём удаления генов, ответственных за образование побочных продуктов, и усиления уровней экспрессии определённых генов, тем самым достигая эффективного производства целевых полимеров и стимулируя рост клеток.

Команда использовала структурную основу широкой субстратной специфичности ключевого синтезирующего фермента, PHA-синтазы, для включения различных сомономеров с основной и боковыми цепями разной длины. Эти мономеры производились внутри клетки с помощью метаболической инженерии, а затем сополимеризовались для улучшения материальных свойств PLGA. В результате были получены различные сополимеры PLGA с разным мономерным составом, включая одобренные Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) мономеры: 3-гидроксибутират, 4-гидроксибутират и 6-гидроксигексаноат. Также были изготовлены новые биопластики, такие как 5-гидроксивалерат и 2-гидроксиизовалерат.

Команда применила системную метаболическую инженерию, что, по словам исследователей, является первым успешным примером биологического производства PGLA и нескольких новых сополимеров из возобновляемой биомассы путём одностадийной прямой ферментации метаболически модифицированной E. coli.

Профессор Ли заявил:

"Мы представили важные результаты: ненатуральные полимеры, такие как PLGA, обычно используемый для доставки лекарств или биомедицинских устройств, были произведены метаболически модифицированной кишечной бактерией. Наше исследование значимо тем, что предлагает платформенную стратегию в метаболической инженерии, которую можно далее использовать для разработки многочисленных ненатуральных, полезных полимеров".

Директор отдела платформенных технологий Министерства науки, ИКТ и будущего планирования Кореи Ильсуб Бэк, курирующий Программу технологического развития для решения проблем изменения климата, сказал:

"Профессор Ли возглавлял один из наших исследовательских проектов — 'Системная метаболическая инженерия для био-НПЗ', который начался как часть Программы технологического развития Министерства для решения проблем изменения климата. Он и его команда постоянно достигают многообещающих результатов и привлекают всё больший интерес мирового научного сообщества. Поскольку технологии борьбы с изменением климата становятся всё более важными, это исследование по биологическому производству ненатуральных, высокоценных полимеров оказывает большое влияние на науку и промышленность".