Меньше токсичных метаболитов — больше химического продукта

Исследователи из Объединенного института биоэнергетики (JBEI) Министерства энергетики США впервые создали динамическую систему регуляции, которая предотвращает накопление токсичных метаболитов в генетически модифицированных микроорганизмах. С помощью этой системы ученым удалось удвоить продукцию аморфадиена — предшественника важнейшего противомалярийного препарата артемизинина — в бактерии Escherichia coli (E. coli).

С помощью полногеномного транскрипционного анализа исследователи JBEI выявили в E. coli собственные участки ДНК — промоторы, — которые реагируют на токсичные метаболиты, активируя экспрессию защитных генов. На основе этих промоторов была разработана система для регуляции искусственных метаболических путей, внедренных в E. coli для производства аморфадиена.

«Ранее создавались статические регуляторы уровня токсичных метаболитов, но это первый регулятор, который реагирует на изменения в росте микроорганизма и условиях среды», — говорит Джей Кислинг, глава JBEI и ведущий эксперт в области синтетической биологии, руководивший исследованием. — «Для оптимального производства целевого химического вещества необходимы системы контроля, способные чувствовать и реагировать на изменения в окружающей среде или росте».

Кислинг, который также является заместителем директора по бионаукам Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab), — ведущего института в партнерстве JBEI, — стал автором-корреспондентом статьи, описывающей эту работу в журнале Nature Biotechnology. Статья называется «Engineering dynamic pathway regulation using stress-response promoters».

От жизненно важных лекарств, таких как артемизинин, до экологически чистых биотоплив — метаболическая инженерия микробов для производства ценных химических веществ продолжает набирать важность. На сегодня наиболее продуктивными микробными хозяевами являются те, в которые внедрены гетерологичные (чужеродные) метаболические пути, чьи метаболиты практически не регулируются естественными системами клетки. Однако нерегулируемая экспрессия гетерологичных ферментов может быть токсичной для клетки-хозяина, что ограничивает выход целевого продукта.

«Хотя синтетическая биология достигла больших успехов в создании новых динамических генетических схем, большинство систем контроля гетерологичных метаболических путей по-прежнему полагаются на индуцибельные или конститутивные промоторы», — отмечает Кислинг. — «Подходы, разработанные для тонкой настройки силы экспрессии с помощью библиотек промоторов, стабильности мРНК или сайтов связывания рибосом, оптимизированы для определенной фазы роста или условий в биореакторе, однако эти условия меняются в процессе ферментации».

Поскольку накопление промежуточных метаболитов до токсичного уровня во время ферментации вызывает у микроба стрессовый ответ, Кислинг и его коллеги предположили, что можно использовать естественную систему стрессового ответа клетки-хозяина. Транскриптомный анализ генома E. coli позволил оценить транскрипционный ответ на гетерологичный путь и составить список промоторов, которые можно использовать для реакции на токсичность промежуточных продуктов.

«Использование таких промоторов для регуляции экспрессии пути в ответ на токсичные промежуточные метаболиты создает связь между метаболическим состоянием клетки и экспрессией метаболического пути», — объясняет Кислинг. — «Это позволяет создавать биосенсоры, реагирующие на промежуточные продукты пути и регулирующие их. Компьютерное моделирование показало, а наше исследование подтвердило, что этот подход позволяет повысить выход целевого химического вещества по сравнению с обычными индуцибельными промоторами и конститутивными промоторами разной силы».

Ученые полагают, что их динамический подход к регуляции метаболитов может быть распространен и на высшие организмы, где до сих пор часто используются конститутивные промоторы. Это открывает перспективы для, среди прочего, повышения накопления питательных веществ в пищевых культурах или снижения содержания лигнина в энергетических культурах, который затрудняет и удорожает извлечение сахаров для производства топлива.

«Мы рассматриваем стратегии, которые могут помочь смягчить проблемы, связанные с обеспечением продовольствием растущего населения планеты или эффективным превращением биомассы в возобновляемое топливо», — заключает Кислинг.