Анализ определил оптимальные микроорганизмы для устойчивого производства химикатов

Компьютерный анализ пяти промышленных микроорганизмов выявил оптимальные штаммы и стратегии метаболической инженерии для производства 235 ценных химических веществ.

Глобальная потребность в устойчивом производстве химикатов растёт из-за изменения климата и истощения ископаемого топлива. В ответ на эти экологические вызовы микробные клеточные фабрики привлекают внимание как экологичные платформы для производства химических веществ с использованием возобновляемых ресурсов. Технологии метаболической инженерии для улучшения этих клеточных фабрик становятся ключевыми инструментами для максимизации эффективности производства.

Однако трудности в выборе подходящих микробных штаммов и оптимизации сложных метаболических путей по-прежнему остаются серьёзными препятствиями для практического промышленного применения.

Исследовательская группа профессора Санг Юпа Ли из Департамента химической и биомолекулярной инженерии всесторонне оценила производственные возможности различных промышленных микробных клеточных фабрик с помощью компьютерного моделирования (in silico). На основе этих данных были определены наиболее подходящие микробные штаммы для производства конкретных химических веществ, а также оптимальные стратегии метаболической инженерии.

Ранее исследователи пытались определить лучшие штаммы и эффективные стратегии метаболической инженерии среди множества кандидатов с помощью обширных биологических экспериментов и тщательных процессов проверки. Однако такой подход требовал значительного времени и затрат.

Недавнее внедрение моделей метаболизма геномного масштаба (GEMs), которые воссоздают метаболические сети организма на основе всей его геномной информации, позволило проводить системный анализ метаболических потоков с помощью компьютерного моделирования. Это развитие открывает новый путь для преодоления ограничений традиционных экспериментальных подходов, революционизируя как выбор штаммов, так и дизайн метаболических путей.

Соответственно, команда профессора Ли из KAIST оценила производственные возможности пяти представительных промышленных микроорганизмов — Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Bacillus subtilis, Corynebacterium glutamicum и Pseudomonas putida — для 235 биохимических веществ.

Используя GEMs, исследователи рассчитали как максимальные теоретические выходы, так и максимально достижимые выходы в промышленных условиях для каждого химического вещества, установив таким образом критерии для идентификации наиболее подходящих штаммов для каждого целевого соединения.

Команда конкретно предложила стратегии, такие как введение гетерологичных ферментативных реакций, полученных от других организмов, и обмен кофакторами, используемыми микробами, для расширения метаболических путей. Было показано, что эти стратегии увеличивают выходы за пределы врождённых метаболических способностей микроорганизмов, что приводит к более высокому производству промышленно важных химических веществ, таких как мевалоновая кислота, пропанол, жирные кислоты и изопреноиды.

Более того, применив вычислительный подход для анализа метаболических потоков in silico, исследователи предложили стратегии улучшения микробных штаммов для максимизации производства различных химических веществ. Они количественно определили взаимосвязи между конкретными ферментативными реакциями и производством целевых химических веществ, а также взаимосвязи между ферментами и метаболитами, определив, какие ферментативные реакции следует усилить или ослабить. Таким образом, команда представила стратегии не только для достижения высоких теоретических выходов, но и для максимизации фактических производственных мощностей.

Доктор Ги Бэ Ким, первый автор статьи из Исследовательского центра биохимической инженерии KAIST, пояснил: «Путём введения метаболических путей, полученных от других организмов, и обмена кофакторами можно создавать новые микробные клеточные фабрики, превосходящие существующие ограничения. Стратегии, представленные в этом исследовании, сыграют ключевую роль в повышении экономичности и эффективности микробных производственных процессов».

Кроме того, выдающийся профессор Санг Юп Ли отметил: «Это исследование служит ключевым ресурсом в области системной метаболической инженерии, снижая трудности в выборе штаммов и проектировании путей и позволяя более эффективно развивать микробные клеточные фабрики. Мы ожидаем, что оно внесёт значительный вклад в будущее развитие технологий производства различных экологически чистых химических веществ, таких как биотопливо, биопластики и функциональные пищевые материалы».

Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.