by 
(α) Υγρή χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας (LC-MS) χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση του περιεχομένου βασικών ενδοκυτταρικών μεταβολιτών, συμπεριλαμβανομένων των MVA, MEP, πυροσταφυλικού και ακετυλ-CoA. Έτσι, αναλύθηκε η κατανομή της ενδοκυτταρικής μεταβολικής ροής. (β) Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της ανάλυσης, το αντίστοιχο ρυθμιστικό σύστημα που βασίζεται στον καταρράκτη γενετικού κυκλώματος σχεδιάστηκε για να διευκολύνει τη ροή μεταβολικών ροών στη μονάδα παροχής IPP. Πυρ: πυροσταφυλικό; Ac: ακετυλο-CoA; Mco: malonyl-CoA. Ροζ βέλος: γενετικό κύκλωμα που ενεργοποιείται από πυροσταφυλικό. μπλε αμβλύ βέλος: γενετικό κύκλωμα αναστέλλεται από malonyl-CoA. διακόπτης: AND/OR gate σε απόκριση στο πυροσταφυλικό και το malonyl-CoA. (γ) Τα γενετικά κυκλώματα που εμπλέκονται στο ρυθμιστικό σύστημα κατασκευάστηκαν χωριστά, συμπεριλαμβανομένων των γενετικών κυκλωμάτων μιας εισόδου και των γενετικών κυκλωμάτων δύο εισόδων. eGFP: ενισχυμένη πράσινη πρωτεΐνη φθορισμού. FapR: μεταγραφικός παράγοντας που ανταποκρίνεται στο μηλονυλ-CoA. PdhR: μεταγραφικός παράγοντας ευαίσθητος στο πυροσταφυλικό. (δ) Η απόδοση και η λογική συμπεριφορά αυτών των γενετικών κυκλωμάτων χαρακτηρίστηκαν και βελτιστοποιήθηκαν, συμπεριλαμβανομένου του δυναμικού εύρους, του ορίου απόκρισης και της ειδικότητας. r: δυναμικό εύρος; α: η ασυμμετρία της πύλης ως προς τους δύο επαγωγείς της. l: η λογική συμπεριφορά του υποκινητή. ασύμ: ασυμμετρία. (ε) Βελτιστοποιημένα γενετικά κυκλώματα εισήχθησαν στον ξενιστή για την κατασκευή ενός ρυθμιστικού συστήματος για τη ρύθμιση του μεταβολισμού IPP. (στ) Η απόδοση του προϊόντος και η περιεκτικότητα σε ενδοκυτταρικό μεταβολίτη του ανασυνδυασμένου στελέχους ανιχνεύθηκαν σε αναδευόμενη φιάλη και βιοαντιδραστήρα. Πίστωση: Xianhao Xu et al.
Τα τερπενοειδή, η μεγαλύτερη οικογένεια φυσικών προϊόντων, έχουν προσελκύσει σημαντική προσοχή για τις ποικίλες εφαρμογές τους σε βιομηχανίες όπως τα φαρμακευτικά προϊόντα, τα αρώματα και τα βιοκαύσιμα. Ωστόσο, η αποτελεσματική σύνθεση τερπενοειδών με χρήση εργοστασίων κατασκευασμένων κυττάρων έχει παρεμποδιστεί από την περιορισμένη παροχή πυροφωσφορικού ισοπρενίου (IPP), το βασικό συστατικό για την παραγωγή τερπενοειδών. Τώρα, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Jian Chen από το Πανεπιστήμιο Jiangnan στην Κίνα έκανε μια ανακάλυψη που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στη βιοπαραγωγή τερπενοειδών.
Στο ερευνητικό του άρθρο που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Μηχανική, ο Chen και η ομάδα του αποκαλύπτουν μια νέα προσέγγιση για την αντιμετώπιση της πρόκλησης της υποπροσφοράς IPP. Διερευνώντας την κατανομή της μεταβολικής ροής στον Bacillus subtilis (B. subtilis), οι ερευνητές εντόπισαν μια ανισορροπία μεταξύ του κεντρικού μεταβολισμού και της παραγωγής IPP ως σημαντικό σημείο συμφόρησης. Για να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο, επινόησαν μια στρατηγική για την αναδιαμόρφωση του μεταβολισμού IPP χρησιμοποιώντας γενετικά κωδικοποιημένα κυκλώματα δύο εισόδων, πολλαπλών εξόδων (OTI).
Τα κυκλώματα THYMO, τα οποία ανταποκρίνονται στο πυροσταφυλικό και το μηλονυλ-CoA, σχεδιάστηκαν για να ρυθμίζουν με ακρίβεια τη μεταβολική ροή προς τη σύνθεση IPP. Αυτή η προσέγγιση αναδιαμόρφωσης είχε ως αποτέλεσμα μια αξιοσημείωτη αύξηση στην ομάδα IPP, έως και τέσσερις φορές μεγαλύτερη από τα αρχικά επίπεδα. Για να επικυρώσουν την αποτελεσματικότητα της τεχνικής τους, οι ερευνητές εφάρμοσαν κυκλώματα TIMO για να ενισχύσουν την παραγωγή τριών πολύτιμων τερπενοειδών: μενακινόνη-7 (MK-7), λυκοπένιο και β-καροτίνη.
Τα αποτελέσματα ήταν εκπληκτικά. Ο τίτλος του MK-7, ενός τερπενοειδούς που χρησιμοποιείται στην πρόληψη της οστεοπόρωσης, της αρτηριακής ασβεστοποίησης και της νόσου του Πάρκινσον, έφτασε σε επίπεδο ρεκόρ 1.549,6 mg/l σε βιοαντιδραστήρα 50 λίτρων. Αυτό το επίτευγμα αντιπροσωπεύει τον υψηλότερο αναφερόμενο τίτλο του MK-7 μέχρι σήμερα. Επιπλέον, η παραγωγή λυκοπενίου αυξήθηκε εννέα φορές και η παραγωγή β-καροτενίου αυξήθηκε 0,9 φορές.
«Αυτή η ερευνητική ανακάλυψη ανοίγει νέες δυνατότητες για αποτελεσματική βιοπαραγωγή τερπενοειδών», δήλωσε ο Shasha Zhao, συντάκτης του Μηχανική. “Το πλαίσιο αναδιαμόρφωσης μεταβολισμού IPP υποβοηθούμενο από το γενετικό κύκλωμα TIMO παρέχει ένα ισχυρό εργαλείο για τη ρύθμιση πολύπλοκων μεταβολικών οδών. Έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στην παραγωγή ενός ευρέος φάσματος πολύτιμων χημικών ουσιών.”
Η επιτυχία αυτής της μελέτης όχι μόνο καταδεικνύει τη δυνατότητα των κυκλωμάτων θύμου αδένα για παραγωγή τερπενοειδών, αλλά υπογραμμίζει επίσης την ευελιξία και την ευρωστία τους. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτό το ρυθμιστικό σύστημα μπορεί να εφαρμοστεί σε άλλα κύτταρα στο πλαίσιο, προσφέροντας μια εναλλακτική στρατηγική για την αναδιαμόρφωση του μεταβολισμού IPP.
Οι επιπτώσεις αυτής της έρευνας εκτείνονται πέρα από την παραγωγή τερπενοειδών. Οι στρατηγικές καταρράκτη, συντονισμένες, πολλαπλών σημάτων δυναμικής ρύθμισης που χρησιμοποιούνται σε αυτή τη μελέτη θέτουν τα θεμέλια για την ορθολογική και συνολική προσαρμογή σύνθετων μεταβολικών οδών. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για την παραγωγή άλλων χημικών ουσιών, οδηγώντας σε προόδους σε πολλούς κλάδους.
Καθώς ο κόσμος συνεχίζει να αναζητά βιώσιμες και φιλικές προς το περιβάλλον εναλλακτικές στην παραδοσιακή χημική σύνθεση, αυτή η έρευνα παρουσιάζει μια πολλά υποσχόμενη οδό για την ανάπτυξη διαδικασιών βιοπαραγωγής που είναι οικονομικά βιώσιμες και φιλικές προς το περιβάλλον.
Περισσότερες πληροφορίες:
Xianhao Xu et al, Αναδιαμόρφωση του μεταβολισμού του πυροφωσφορικού ισοπρενίου για την προώθηση της βιοπαραγωγής τερπενοειδών, Μηχανική (2023). DOI: 10.1016/j.eng.2023.03.019
Παραπομπή: Boosting terpenoid bioproduction by remodeling isoprene pyrophosphate metabolism (28 Σεπτεμβρίου 2023), ανακτήθηκε στις 28 Σεπτεμβρίου 2023 από https://phys.org/news/2023-09-boosting-terpenoid-bioproduction -remodeling.renehtmlisop
Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Εκτός από κάθε δίκαιη συναλλαγή για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.
