Entdeckung eines neuen Phänomens als Wegbereiter für eine effiziente Bioproduktion nützlicher Chemikalien

Eine Forschungskooperation hat einen neuen Mechanismus entdeckt, durch den Glukose, die von E. coli eingefangen wurde, dann von der Bakterienzelle als Glukose-6-Phosphat (G6P) ausgeschieden wird. Diese Erkenntnis hat bedeutende Anwendungen für die Verbesserung von Verfahren zur nachhaltigen Herstellung nützlicher aromatischer Verbindungen und Rohstoffe für die Medizin-, Lebensmittel- und chemische Industrie (unter anderem) aus Biomasse. Die Forschungsgruppe bestand aus Associate Professor Tanaka Tsutomu von der Graduate School of Engineering der Kobe University, Special Postdoctoral Researcher Fujiwara Ryosuke und Forscher Noda Shuhei et al. vom RIKEN Center for Sustainable Resource Science und Professor Umetsu Mitsuo et al. der Graduate School of Engineering der Universität Tohoku.

Basierend auf dem entdeckten Mechanismus entwickelten die Forscher erfolgreich eine neue Technik, um die Produktion der Zielverbindung zu steigern, indem Stoffwechsel-Engineering und Zelloberflächen-Engineering kombiniert wurden.

Man hofft, dass es durch die Anwendung dieser Technik möglich sein wird, die Menge an Zielverbindung, die durch Zugabe einer kleinen Menge „metabolischer Gewürze“ zur Kulturbrühe der Mikrobe produziert wird, stark zu erhöhen.

Diese Forschungsergebnisse wurden in veröffentlicht Stoffwechseltechnik am 5. März 2022.

Hauptpunkte

Forschungshintergrund

Ein großer Vorteil von Produkten aus Biomasse (kostengünstige erneuerbare Ressourcen, die in der Natur reichlich vorhanden sind, wie Gras und Bäume) ist, dass sie CO2-neutral sind; ihre Herstellung und Entsorgung erhöhen den CO2-Gehalt in der Atmosphäre nicht. In Bioproduktionstechnologien wird diese Biomasse als Rohstoff genutzt und Mikroben werden darauf aufgebracht, um Zielverbindungen herzustellen (z. B. Aromastoffe für die Chemie-, Pharma- und Lebensmittelindustrie ua). Die Entwicklung dieser Technologien trägt zu den SDGs bei und ist für die Verwirklichung einer kohlenstoffarmen Gesellschaft von entscheidender Bedeutung.

Die Forschungsgruppe von Associate Professor Tanaka hat Enzyme zum Abbau von Biomasse auf der Oberfläche einer Vielzahl von Mikroben gezeigt und eine Zelloberflächen-Engineering-Technologie entwickelt, um die räumliche Auflösung von Biomasse zu verbessern. Mikroben bauen die in pflanzlicher Biomasse vorkommenden Zucker wie Zellulose und Cellooligosaccharide zu Glukose ab. In ihrer vorherigen Studie veränderten die Forscher die Mikroben metabolisch so, dass die abgebaute Glukose von den Mikroben eingefangen und ausschließlich zur Herstellung der Zielverbindung verwendet wurde.

Dabei entdeckten sie ein neues Phänomen, das nichts mit dem Abbau von Biomasse zu tun hat. Sie fanden heraus, dass die Produktion der Zielverbindung durch die Enzymoberflächenexpression gesteigert wurde. Unter Ausnutzung dieses Phänomens demonstrierten sie, dass es möglich war, die Rate und Menge der Produktion von aus Biomasse gewonnenen Verbindungen zu erhöhen und so zur Dekarbonisierung der Stoffproduktion beizutragen. Anschließend führte die Gruppe weitere Forschungen mit dem Ziel durch, den Mechanismus hinter diesem Phänomen zu verstehen und ihn auf Stoffwechselgewürze anzuwenden.

Forschungsmethodik

Diese Forschungsgruppe entdeckte ein völlig neues Phänomen, bei dem ein Teil der vom Modellmikroorganismus E. coli eingefangenen Glukose als Glukose-6-Phosphat (G6P) aus der Bakterienzelle ausgeschleust wird. Normalerweise wandeln Mikroben Glukose (ihre Nahrungsquelle) kontinuierlich in G6P um und fangen es in ihren Zellen ein. Bisher wurde angenommen, dass G6P nicht aus den einmal eingefangenen Bakterienzellen ausgestoßen wird. Diese Studie enthüllte einen neuartigen Mechanismus, durch den E. coli G6P ausstößt, was der allgemein akzeptierten Theorie widerspricht. Das Enzym zum Abbau von Biomasse wird auf der Zelloberfläche der Mikrobe exprimiert und stößt das G6P aus. Die Forscher fanden heraus, dass das vorübergehende Einfangen dieses G6P den Stoffwechsel in den E. coli-Zellen stimulierte und so die Produktion der Zielverbindung erhöhte.

Als nächstes nutzte die Forschungsgruppe diesen Mechanismus, um verschiedene Proteine ​​zu lokalisieren, die G6P auf der Bakterienzelloberfläche einfangen können. Auf diese Weise entwickelten sie eine neue Technik zur Steigerung der Zielverbindungsproduktion. Sie demonstrierten erfolgreich die neuartige Technik, indem sie erhöhte Mengen der aromatischen Aminosäure Phenylalanin produzierten.

Darüber hinaus steigerten sie auch die Produktion der aromatischen Aminosäuren Tyrosin und Muconsäure (einer nützlichen Dicarbonsäure) durch Anwendung der entwickelten Technik. Insbesondere Muconsäure ist eine sehr wichtige und nützliche Industriechemikalie. Es lässt sich leicht in Adipinsäure umwandeln, ein Bestandteil der Nylonherstellung, und wird auch als Rohstoff für die Herstellung verschiedener Medikamente und chemischer Produkte verwendet. Diese Ergebnisse zeigen, dass diese neue Technik sehr vielseitig ist und auf die Herstellung verschiedener chemischer Verbindungen angewendet werden kann.

Weiterentwicklungen

Die Forschungsgruppe hat bestätigt, dass es alternativ zur Expression von Proteinen auf der Oberfläche von Bakterienzellen möglich ist, das gleiche Phänomen durch Zugabe eines speziellen Moleküls zur Kulturbrühe hervorzurufen. Die Forscher bezeichnen kleine Moleküle mit dieser Eigenschaft als „Stoffwechselgewürze“ und arbeiten derzeit an deren Entwicklung. Sie hoffen, die Produktion von Zielverbindungen zu steigern, indem sie der Kulturbrühe der Mikrobe lediglich eine kleine Menge metabolischer Gewürze hinzufügen, ohne dass die Mikrobe gentechnisch verändert werden muss.

Darüber hinaus verbessert diese Technik bestimmte Stoffwechselwege und erhöht die Versorgung mit Vorläufern für verschiedene nützliche Substanzen). Es kann auch in Fällen angewendet werden, in denen das Endprodukt nicht bestimmt werden kann. Darüber hinaus haben die Ergebnisse dieser Studie gezeigt, dass ein moderates Maß an Selektivität und Affinität zu G6P ausreichend ist.

Der metabolische Gewürzansatz unterscheidet sich von bestehenden Ansätzen zur Entdeckung von Chemikalien mit hoher Selektivität und Affinität. Daher ist es wahrscheinlich, dass es unter den „abgelehnten Chemikalien“, die in den von verschiedenen Industrien geführten chemischen Bibliotheken katalogisiert sind, neue Kandidaten für den metabolischen Gewürzansatz gibt. Es ist zu hoffen, dass dies zu neuen Kooperationen zwischen Wissenschaft und Industrie führen wird, sogar mit Unternehmen, die zuvor nicht in die Bioproduktion involviert waren.