Da sich der Klimawandel und die Umweltbedenken verschärfen, erregen nachhaltige mikrobielle Zellfabriken große Aufmerksamkeit als Kandidaten für den Ersatz von Chemiefabriken. Um Mikroorganismen für den Einsatz in mikrobiellen Zellfabriken zu entwickeln, ist es entscheidend, ihre Stoffwechselprozesse zu modifizieren, um durch Modulation ihrer Genexpression eine effiziente Produktion der Zielchemikalie zu induzieren.
Dennoch besteht weiterhin die Herausforderung darin, zu bestimmen, welche Genexpressionen verstärkt und unterdrückt werden sollen, und die experimentelle Überprüfung dieser Modifikationsziele ist selbst für Experten ein zeit- und ressourcenintensiver Prozess. Die Herausforderungen wurden von einem Forscherteam am KAIST (Präsident Kwang-Hyung Lee) unter der Leitung des angesehenen Professors Sang Yup Lee angegangen.
Die Schule verfügt nun über eine Methode zum kostengünstigen, schnellen und effizienten Aufbau einer mikrobiellen Fabrik. Dies wurde durch ein neuartiges Computersimulationsprogramm vorgestellt, das das Team unter der Leitung von Professor Lee entwickelt hat und den Namen „iBridge“ trägt.
Dieses innovative System soll vorhersagen, dass Genziele entweder überexprimieren oder herunterregulieren, um eine gewünschte Verbindung herzustellen, um den kostengünstigen und effizienten Aufbau mikrobieller Zellfabriken zu ermöglichen, die speziell auf die Herstellung der benötigten chemischen Verbindung aus erneuerbarer Biomasse zugeschnitten sind.
Systems Metabolic Engineering ist ein von KAISTs angesehenem Professor Sang Yup Lee ins Leben gerufenes Forschungs- und Ingenieurgebiet, das darauf abzielt, wertvolle Verbindungen für den industriellen Bedarf mithilfe von Mikroorganismen herzustellen, die durch eine Kombination von Methoden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Metabolic Engineering und Synthese, neu konfiguriert werden Biologie, Systembiologie und Fermentationstechnik.
Um die Fähigkeit von Mikroorganismen zur Produktion nützlicher Verbindungen zu verbessern, ist es wichtig, mikrobielle Gene zu löschen, zu unterdrücken oder zu überexprimieren. Allerdings ist es selbst für Experten schwierig, die zu modifizierenden Genziele zu identifizieren, ohne dass jedes einzelne davon experimentell bestätigt wird, was unermesslich viel Zeit und Ressourcen in Anspruch nehmen kann.
Die neu entwickelte iBridge identifiziert positive und negative Metaboliten innerhalb von Zellen, die einen positiven und/oder negativen Einfluss auf die Bildung der Produkte haben, indem sie die Summe der Kovarianzen ihrer ausgehenden (verbrauchenden) Reaktionsflüsse für eine Zielchemikalie berechnet. Anschließend werden „Brücken“-Reaktionen, die für die Umwandlung negativer Metaboliten in positive verantwortlich sind, als Kandidaten für eine Überexpression identifiziert, während die Gegenreaktionen als Ziele für eine Herunterregulierung identifiziert werden.
Das Forschungsteam nutzte die iBridge-Simulation erfolgreich, um mikrobielle Zellfabriken für E. coli zu etablieren, die jeweils in der Lage sind, drei der stark nachgefragten Verbindungen mit einer Produktionskapazität zu produzieren, über die weltweit noch nie zuvor berichtet wurde.
Sie entwickelten E. coli-Stämme, die jeweils Panthenol, einen feuchtigkeitsspendenden Wirkstoff, der in vielen Kosmetika vorkommt, Putrescin, einen der Schlüsselbestandteile bei der Nylonproduktion, und 4-Hydroxyphenylmilchsäure, einen antibakteriellen Lebensmittelzusatzstoff, produzieren können. Zusätzlich zu diesen drei Verbindungen präsentiert die Studie Vorhersagen für die Überexpression und Unterdrückung von Genen zum Aufbau mikrobieller Fabriken für 298 weitere industriell wertvolle Verbindungen.
Dr. Youngjoon Lee, der Co-Erstautor dieses Artikels von KAIST, betonte den beschleunigten Aufbau verschiedener mikrobieller Fabriken, die die neu entwickelte Simulation ermöglichte. Er erklärte: „Durch den Einsatz dieser Simulation konnten mehrere mikrobielle Zellfabriken deutlich schneller aufgebaut werden, als dies mit herkömmlichen Methoden möglich gewesen wäre. Mikrobielle Zellfabriken, die ein breiteres Spektrum wertvoller Verbindungen produzieren, können mit dieser Technologie nun schnell aufgebaut werden.“
Professor Sang Yup Lee sagte: „Systems Metabolic Engineering ist eine entscheidende Technologie zur Bewältigung der aktuellen Probleme des Klimawandels.“ Er fügte hinzu: „Diese Simulation könnte den Übergang vom Rückgriff auf konventionelle Chemiefabriken hin zur Nutzung umweltfreundlicher mikrobieller Fabriken erheblich beschleunigen.“
Die Arbeit des Teams an iBridge wird in einem Artikel mit dem Titel „Genome-Wide Identification of Overexpression and Downregulation Gene Targets Based on the Sum of Covariances of the Outgoing Reaction Fluxes“ beschrieben, der von Dr. Won Jun Kim und Dr. Youngjoon Lee vom Bioprocess verfasst wurde Forschungszentrum und die Professoren Hyun Uk Kim und Sang Yup Lee von der Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik des KAIST. Das Papier war veröffentlicht In Zellsysteme.
Mehr Informationen:
Won Jun Kim et al., Genomweite Identifizierung von Überexpressions- und Herunterregulierungs-Genzielen basierend auf der Summe der Kovarianzen der ausgehenden Reaktionsflüsse, Zellsysteme (2023). DOI: 10.1016/j.cels.2023.10.005