«Идея синтетической биологии состоит в том, чтобы переконструировать клетки таким образом, чтобы они брали сахар и прогоняли его через ряд химических этапов, чтобы превратить его в биотопливо, товарный химикат или лекарство», — сказал Джеймс Боуи, профессор химии и биохимии. в колледже UCLA и старшим автором нового исследования. «Однако это чрезвычайно сложно сделать. Клетка протестует.
Она возьмет сахар и сделает с ним другие вещи, которые вам не нужны, например, построение клеточных стенок, белков и молекул РНК. Клетка борется с нами на всем пути».В качестве альтернативы Боуи и его исследовательская группа разработали многообещающий подход, который он называет синтетической биохимией, который позволяет обойтись без клеток.
«Мы хотим провести определенный набор химических превращений — это все, что мы хотим — поэтому мы решили выбросить клетки и просто создать биохимические ступени в колбе», — сказал Боуи. «Мы полностью устраняем раздражающую ячейку».Биохимики очистили более двух десятков ферментов в определенных комбинациях и концентрациях, поместили их в колбу и добавили глюкозу. Ферменты и метаболические пути, созданные в лаборатории Боуи, не обязательно встречаются в природе. «Когда нам не нужно беспокоиться о том, чтобы клетки оставались счастливыми, нам легче переставить вещи так, как мы хотим», — сказал он.
«Если ферменты недостаточно хороши — недостаточно быстры, недостаточно стабильны — мы их модернизируем», — сказал Тайлер Корман, научный сотрудник лаборатории Боуи и соавтор исследования.Исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature Chemical Biology, демонстрирует, что биохимики могут создавать сложные ферментные системы вне клетки, которые функционируют достаточно хорошо, чтобы быть полезными для производства биотоплива и химических продуктов.
Синтетическая биохимия может быть использована для многих промышленных продуктов, в том числе для производства пластмасс, ароматизаторов и запахов и, возможно, в конечном итоге биотоплива, сказал Боуи, член отдела системной биологии и дизайна Института энергетики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Института молекулярной биологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.Чтобы превратить глюкозу в биотопливо, биоинженеры в идеале хотели бы, чтобы клетки превращали 100 процентов сахара в топливо.
Этанол можно производить путем дрожжевого брожения примерно с 70-процентным выходом, с помощью того же процесса, который мы используем для производства пива и вина, «но это после тысячелетней оптимизации человека, направленного на повышение уровня алкоголя в наших любимых напитках», — сказал Боуи. . По его словам, наилучшие урожаи для производимых клетками химикатов в штаммах биоинженерии, как правило, намного ниже или имеют другие проблемы.Боуи, Корман и Пол Опдженорт, еще один постдокторант в лаборатории, сообщают, что они достигли примерно 90-процентного выхода при производстве биоразлагаемого пластика.Исследовательская группа работает над решением остающихся проблем, включая регулирование производства высокоэнергетических молекул, необходимых для биохимических реакций.
В качестве важной прелюдии к текущему исследованию биохимики сообщили 17 июня 2013 года в журнале Nature Communications о значительном прогрессе в регулировании этих высокоэнергетических молекул — системе, которую они называют клапаном молекулярной продувки — и продолжают разработку других регулирующих механизмов. "трюки."«Мы должны сделать синтетическую биохимию достаточно устойчивой, чтобы работать на очень большом промышленном предприятии», — сказал Боуи, проводивший исследования в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе с 1989 года, сначала в качестве постдокторанта, а с 1993 года — в собственной лаборатории.Они находятся на ранних стадиях создания компании под названием Invizyne Technologies, Inc., в которой Боуи является научным консультантом.
Исследование финансировалось из федерального бюджета Министерством энергетики США (гранты DE-FOA-0001002 и DE-FC02-02ER63421).