Terpenoide, die größte Familie natürlicher Produkte, haben aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungen in Branchen wie Pharmazeutika, Duftstoffen und Biokraftstoffen große Aufmerksamkeit erlangt. Die effiziente Synthese von Terpenoiden mithilfe manipulierter Zellfabriken wurde jedoch durch das begrenzte Angebot an Isoprenpyrophosphat (IPP), dem Schlüsselbaustein für die Terpenoidproduktion, behindert. Jetzt hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Jian Chen an der Jiangnan-Universität in China eine Entdeckung gemacht, die die Bioproduktion von Terpenoiden revolutionieren könnte.
In ihrem in der Zeitschrift veröffentlichten Forschungsartikel Maschinenbau, stellen Chen und sein Team einen neuartigen Ansatz vor, um das Problem der unzureichenden IPP-Versorgung anzugehen. Durch die Untersuchung der Stoffwechselflussverteilung in Bacillus subtilis (B. subtilis) identifizierten die Forscher ein Ungleichgewicht zwischen zentralem Stoffwechsel und IPP-Produktion als großen Engpass. Um diese Hürde zu überwinden, entwickelten sie eine Strategie zur Umgestaltung des IPP-Stoffwechsels mithilfe genetisch kodierter TIMO-Schaltkreise (Two-Input-Multi-Output).
Die TIMO-Schaltkreise, die auf Pyruvat und Malonyl-CoA reagieren, wurden entwickelt, um den Stoffwechselfluss in Richtung IPP-Synthese fein abzustimmen. Dieser Umbauansatz führte zu einem bemerkenswerten Anstieg des IPP-Pools, der bis zu viermal höher war als der ursprüngliche Wert. Um die Wirksamkeit ihrer Technik zu validieren, verwendeten die Forscher die TIMO-Schaltkreise, um die Produktion von drei wertvollen Terpenoiden zu steigern: Menachinon-7 (MK-7), Lycopin und β-Carotin.
Die Ergebnisse waren erstaunlich. Der Titer von MK-7, einem Terpenoid, das zur Vorbeugung von Osteoporose, Arterienverkalkung und der Parkinson-Krankheit eingesetzt wird, erreichte in einem 50-l-Bioreaktor einen beispiellosen Wert von 1549,6 mg/l. Dieser Erfolg stellt den bislang höchsten gemeldeten MK-7-Titer dar. Darüber hinaus wurde die Lycopin-Produktion um das Neunfache gesteigert und die β-Carotin-Produktion um das 0,9-fache erhöht.
„Dieser Forschungsdurchbruch eröffnet neue Möglichkeiten für die effiziente Bioproduktion von Terpenoiden“, sagte Shasha Zhao, Herausgeberin von Maschinenbau. „Das durch genetische Schaltkreise unterstützte IPP-Metabolismus-Remodellierungs-Framework von TIMO bietet ein leistungsstarkes Werkzeug zur Feinabstimmung komplexer Stoffwechselwege. Es hat das Potenzial, die Produktion einer Vielzahl wertvoller Chemikalien zu revolutionieren.“
Der Erfolg dieser Studie zeigt nicht nur das Potenzial der TIMO-Schaltkreise für die Produktion von Terpenoiden, sondern unterstreicht auch ihre Vielseitigkeit und Robustheit. Die Forscher glauben, dass dieses Regulierungssystem auf andere Chassiszellen angewendet werden kann und eine alternative Strategie zur Umgestaltung des IPP-Stoffwechsels bietet.
Die Implikationen dieser Forschung gehen über die Terpenoidproduktion hinaus. Die in dieser Studie verwendeten Multisignal-, koordinierten und kaskadierten dynamischen Regulierungsstrategien legen den Grundstein für die rationale und globale Feinabstimmung komplexer Stoffwechselwege. Dieser Durchbruch könnte den Weg für die Produktion verschiedener anderer Chemikalien ebnen und den Fortschritt in mehreren Branchen vorantreiben.
Da die Welt weiterhin nach nachhaltigen und umweltfreundlichen Alternativen zur traditionellen chemischen Synthese sucht, stellt diese Forschung einen vielversprechenden Weg für die Entwicklung von Bioproduktionsprozessen dar, die sowohl wirtschaftlich rentabel als auch umweltfreundlich sind.
Mehr Informationen:
Xianhao Xu et al., Umbau des Isoprenpyrophosphat-Metabolismus zur Förderung der Bioproduktion von Terpenoiden, Maschinenbau (2023). DOI: 10.1016/j.eng.2023.03.019