Используя полногеномный анализ транскрипции, исследователи JBEI идентифицировали нативные области ДНК, называемые «промоторами», в E. coli, которые реагируют на токсические метаболиты, способствуя экспрессии защитных генов. Затем они разработали систему, основанную на этих промоторах, для регулирования искусственных метаболических путей, встроенных в кишечную палочку, чтобы бактерия могла производить аморфадиен.«Статические регуляторы уровней токсичных метаболитов были разработаны, но это первый регулятор метаболитов, который реагирует на изменения в росте микробов и условиях окружающей среды», — говорит Джей Кислинг, генеральный директор JBEI и авторитетный авторитет в области синтетической биологии, возглавлявший это исследование. «Системы управления, которые могут распознавать и реагировать на изменения окружающей среды или роста, необходимы для оптимального производства желаемого химического вещества».
Кизлинг, который также является заместителем директора лаборатории биологических наук в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab), ведущем институте партнерства JBEI, является автором статьи, описывающей это исследование, в журнале Nature Biotechnology. Работа называется «Разработка регуляции динамических путей с использованием промоторов стресс-реакции».
Соавторы: Роберт Даль, Фучжон Чжан, Хорхе Алонсо-Гутьеррес, Эдвард Байду, Танвир Батт, Алисса Реддинг-Йохансон, Кристофер Петцольд, Айндрила Мукхопадхьяй, Таэк Сун Ли и Пол Адамс.От жизненно важных лекарств, таких как артемизинин, до экологически чистого биотоплива, метаболическая инженерия микробов для производства ценных химикатов продолжает приобретать все большее значение. На сегодняшний день наиболее продуктивными микробными хозяевами были те, которые были сконструированы с гетерологичными путями, для которых у них мало или совсем нет нативной регуляции экспрессии метаболитов.
Однако такая нерегулируемая экспрессия гетерологичных ферментов может быть токсичной для хозяина, что может ограничивать выработку целевого химического вещества до уровней, значительно ниже, которые могут быть получены.«Хотя синтетическая биология добилась больших успехов в создании новых динамических генетических цепей, большинство систем контроля гетерологичных метаболических путей по-прежнему полагаются на индуцибельные или конститутивные промоторы», — говорит Кизлинг. «Подходы, разработанные для адаптации силы экспрессии с помощью библиотек промоторов, стабильности мРНК или связывания с рибосомами, оптимизированы для конкретной фазы роста или условий в биореакторе, однако условия роста и окружающей среды изменяются во время процесса ферментации».
Поскольку накопление промежуточных метаболитов до токсичных уровней в микробе во время процесса ферментации может привести к стрессовой реакции, Кизлинг и его коллеги из JBEI пришли к выводу, что должна быть возможность задействовать естественную систему стресс-реакции микроба-хозяина при накоплении метаболитов. Профилирование транскриптов генома E.coli позволило им оценить транскрипционный ответ на гетерологичный путь и создать список промоторов, которые можно было бы использовать для ответа на промежуточную токсичность.«Использование таких промоторов для регулирования экспрессии пути в ответ на токсичные промежуточные метаболиты создает связь между метаболическим состоянием клетки и экспрессией метаболического пути», — говорит Кизлинг. «Это позволяет нам создавать биосенсоры, которые реагируют на промежуточные продукты пути и регулируют их. Модели in silico показали, и мы продемонстрировали в этом исследовании, что наш подход может быть использован для улучшения продукции желаемого химического вещества по сравнению с обычными индуцибельными промоторами и конститутивными промоторами различные сильные стороны ".
Кизлинг и его коллеги считают, что их динамический подход к регуляции метаболитов может быть распространен и на высшие организмы, где конститутивные промоторы все еще широко используются. Это имеет потенциал, среди прочего, для улучшения накопления питательных веществ в пищевых культурах или уменьшения содержания лигнина в энергетических культурах, что делает извлечение топливных сахаров трудным и дорогостоящим.
«Мы рассматриваем стратегии, которые могут помочь уменьшить проблемы, связанные с прокормкой большей части населения планеты или эффективным преобразованием биомассы в возобновляемые виды топлива», — говорит Кизлинг.