Исследователи из исследовательской темы IGB’s Biosystems Design, в том числе Стивен Л. Миллер, председатель кафедры химической и биомолекулярной инженерии Хуйминь Чжао, недавно опубликовал статью в Nature Communications, в которой описал их новый метод, который может сделать процесс метаболической инженерии более эффективным.
Метаболическая инженерия включает в себя создание микроорганизмов для производства продуктов с добавленной стоимостью, таких как биотопливо и химикаты. Это достигается путем изменения или удаления экспрессии генов для модификации генома микроорганизма. В этом процессе несколько целей в геноме модифицируются для достижения определенных целей.
«Мы можем легко найти несколько целей метаболической инженерии для улучшения желаемого фенотипа», — сказал Цзячжан Лянь, научный сотрудник IGB, который является соавтором статьи. «Как объединить эти полезные генетические модификации — одна из самых сложных задач метаболической инженерии."
Традиционно исследователи тестируют эти мишени индивидуально в серии длительных этапов. Эти шаги ограничивают продуктивность и выход конечного продукта — два важных компонента в процессе метаболической инженерии.
Исследователи решили создать метод, который объединяет все эти шаги и выполняет их одновременно, делая процесс быстрее и проще.
Они основали этот метод на системе CRISPR, методе генетических манипуляций, который использует набор последовательностей ДНК для модификации генов внутри клетки.
Эта система использует три генетические манипуляции, которые часто используются в метаболической инженерии: активация транскрипции, интерференция транскрипции и делеция гена.
Используя эти манипуляции одновременно, ученые могут исследовать различные комбинации манипуляций и определять, какая комбинация лучше.
«Теперь мы можем работать с 20 целями», — сказал Чжао. «Мы можем реализовать все эти (манипуляции) для каждой цели комбинаторным способом, чтобы выяснить, какая комбинация на самом деле даст нам более высокую производительность или выход конечного продукта."
Исследователи протестировали метод на дрожжах, которые используются в виноделии, выпечке и производстве биотоплива.
Они показали, что использование этого метода может улучшить производство конкретного продукта.
Их система под названием CRISPR-AID позволит исследователям легко исследовать все возможные целевые комбинации.
Но главное — найти оптимальную комбинацию.
«Если мы сравним метаболическую инженерию с баскетбольной командой, мы не сможем построить сильную команду, просто собрав вместе лучших игроков», — сказал Лиан. "Вместо этого мы должны попытаться найти тех, кто может сотрудничать и работать синергетически."
Их новая система открывает тысячи — даже миллионы — возможностей, что представляет собой еще одну логистическую проблему.
Они планируют найти лучшие комбинации, разработав метод высокопроизводительного скрининга или используя роботизированную систему, такую как iBioFAB, систему, расположенную в IGB, которая автоматически производит синтетические биосистемы.
«Я считаю, что сочетание CRISPR-AID с высокопроизводительным скринингом и iBioFAB значительно продвинет область метаболической инженерии в ближайшем будущем», — сказал Лиан.
Чжао надеется протестировать свой метод на других организмах, используя те же инженерные принципы, но изменяя протокол для разных организмов.
В конце концов, они надеются расширить масштабы генома — чтобы иметь возможность тестировать все гены в организме одновременно, — что станет значительным скачком в области метаболической инженерии.
«Если мы сможем это сделать, мы сможем сделать его действительно модульным, а также стандартизировать процедуру», — сказал Чжао. "Затем мы действительно увеличиваем производительность и скорость метаболической инженерии."
Некоторые исследовательские усилия направлены на создание микроорганизмов для производства биотоплива и химикатов, поэтому любые инструменты, которые могут ускорить этот процесс, имеют большое значение.
Чжао считает, что это верно для их метода.
"Это не просто постепенное улучшение", — сказал он. "Это новый способ метаболической инженерии."