Микробная «перепрошивка» метаболизма ускорит биопроизводство

Исследователи из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) добились беспрецедентного успеха в модификации микроба для эффективного производства целевого соединения с помощью вычислительной модели и редактирования генов на основе CRISPR.

Их подход может радикально ускорить фазу исследований и разработок для новых процессов биопроизводства и быстрее вывести на рынок передовые био-продукты, такие как устойчивое топливо и альтернативы пластику.

Процесс использует компьютерные алгоритмы — основанные на реальных экспериментальных данных — чтобы определить, какие гены в микробе-«хозяине» можно отключить, чтобы перенаправить энергию организма на производство больших количеств целевого соединения вместо его обычного набора метаболитов.

В настоящее время многие учёные в этой области всё ещё полагаются на случайные эксперименты методом проб и ошибок. Кроме того, большинство микробов, используемых в процессах биопроизводства неродного соединения (гены для его производства вставлены в геном хозяина), могут производить его в больших количествах только после достижения определённой фазы роста, что приводит к медленным процессам, тратящим энергию на инкубацию.

Упрощённый процесс метаболической «перепрошивки» команды, названный «сопряжение продукта/субстрата», связывает весь метаболизм микроба с производством соединения постоянно.

Для тестирования метода команда провела эксперименты с перспективным хозяином — почвенным микробом Pseudomonas putida, в который были встроены гены для производства индигоидина, синего пигмента. Учёные оценили 63 потенциальные стратегии перепрошивки и, используя систематическую оценку возможных исходов, определили, что только одна из них реалистична для эксперимента. Затем они выполнили CRISPR-интерференцию (CRISPRi), чтобы заблокировать экспрессию 14 генов, как предсказывали их вычисления.

«Мы были в восторге, увидев, что наш штамм производил чрезвычайно высокие выходы индигоидина после того, как мы нацелились на такое большое количество генов одновременно», — сказала соавтор Дипанвита Банерджи. «Текущий стандарт — кропотливо нацеливаться на один ген за раз. Мы существенно подняли верхний предел одновременных модификаций, используя мощные подходы на основе CRISPRi».

Соавтор Томас Энг добавил: «Мы считаем, что можем значительно сократить время разработки коммерческого процесса биопроизводства. Резкое сокращение сроков НИОКР — это то, что нужно для реализации биоэкономики завтрашнего дня».

Примеры целевых соединений, исследуемых в Berkeley Lab, включают изопентенол (перспективное биотопливо), компоненты огнезащитных материалов и замены нефтехимического сырья, например, прекурсоры нейлона.

Руководитель исследования Айндрила Мукхопадхьяй объяснила, что успех команды стал результатом междисциплинарного подхода, объединившего компьютерное моделирование, передовую генетику и демонстрацию процесса в более крупных масштабах в сотрудничестве с Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU) и Объединённым институтом генома (DOE Joint Genome Institute).