Биотехнологи, которые занимаются метаболизмом микроорганизмов для производства ценных продуктов, смотрят на инженерный процесс через призму так называемого «цикла проектирования-сборки-тестирования». Идея состоит в том, что несколько итераций этого цикла в конечном итоге позволяют идентифицировать комбинации генетических и метаболических элементов, которые производят наивысшие уровни желаемого лекарства или химического вещества. Однако ключом к эффективности цикла является способность сконструировать и протестировать как можно большее количество вариантов; в конце концов, только несколько из этих вариантов будут производить продукт в промышленно привлекательных количествах.
В статье «Тенденции в биотехнологии» ученые Института Висса Джордж Черч и Джеймсон Роджерс описывают современное состояние разработки, создания и тестирования множества вариантов одновременно, методологию, которую биоинженеры называют «мультиплексированием». Черч является преподавателем и профессором генетики Гарвардской медицинской школы, а Роджерс, в настоящее время работающий в Boston Consulting Group, выполнял свою работу в качестве научного сотрудника Гарвардского университета Пирса и докторанта под руководством Черча.Биоинженеры досконально понимают, как метаболические пути работают на биохимическом уровне, и имеют в своем распоряжении множество последовательностей ДНК, кодирующих варианты всех необходимых ферментов.
Развертывание этих последовательностей с помощью вычислительных инструментов и регулирование их экспрессии с помощью постоянно растущего числа генетических элементов дает им доступ к почти бесконечному пулу возможностей дизайна. Точно так же революционные достижения в технологиях, позволяющих синтезировать ДНК и манипулировать ею, сделали конструирование миллиардов микроорганизмов, каждый из которых содержит отдельный вариант конструкции, рутинным процессом.
«Настоящее узкое место в достижении высокопроизводительных инженерных циклов лежит на этапе тестирования. Современные технологии ограничивают количество разработок, которые ученые могут оценивать, сотнями, а может быть, даже тысячей различных конструкций в день. Часто необходимые анализы кропотливы и подвержены риску ошибка пользователя ", — сказал Роджерс.
Черч и Роджерс обсуждают, как генетически закодированные биосенсоры могут помочь биоинженерам преодолеть это препятствие. Такие биосенсоры работают путем связывания количества желаемого продукта, продуцируемого внутри микроорганизма, с экспрессией гена устойчивости к антибиотикам, так что выживают только высокие продуценты.
В качестве альтернативы экспрессия флуоресцентного белка может использоваться для высокоскоростной сортировки редких, но высокопродуктивных кандидатов из больших популяций менее продуктивных микробов.«Теперь, разработав оба типа генетически закодированных биосенсоров, мы можем замкнуть цикл полностью мультиплексированного инженерного цикла. Это позволяет исследовать пространства дизайна для конкретных метаболических путей в гораздо большей широте и глубине.
Флуоресцентные биосенсоры, в частности, позволяют бренду «новый тип трубопроводной инженерии, при котором мы можем наблюдать уровни продуктов метаболизма в любое время в течение всего процесса с необычайной чувствительностью и возможностью дальнейшего управления инженерным циклом», — сказал Черч.Более ранняя работа команды Черча из Института Висса уже продемонстрировала, что уровни коммерчески ценных химикатов, производимых бактериями, можно повысить с помощью нескольких раундов цикла разработки-сборки-тестирования, в котором использовался биосенсор на основе выбора антибиотиков. Теперь Черч и Роджерс сообщают в PNAS об уникальных преимуществах флуоресцентных биосенсоров для биоинженеров.
«Наши флуоресцентные биосенсоры построены на основе специализированных белков, которые непосредственно воспринимают коммерчески ценные метаболиты. Эти сенсорные белки включают экспрессию флуоресцентного репортерного белка, в результате чего яркость клеток пропорциональна количеству химического вещества, производимого в созданных клетках. Мы можем буквально наблюдайте за биологическим производством ценных химикатов в режиме реального времени по мере того, как происходит синтез, и выделяйте самые высокие продуценты из культур с миллиардами кандидатов », — сказал Роджерс, который был назван одним из журнала Forbes« 30 до 30 »в науке за открытие новых перспектив. в биоинженерии.
Используя эту стратегию, исследователи Wyss создали флуоресцентные биосенсоры для производства супервпитывающих полимеров и пластиков, таких как желанный акрилат, из которого изготавливается ряд продуктов. Фактически, исследование установило первый инженерный путь, способный биологически производить акрилат из обычного сахара, а не из ранее необходимых нефтяных соединений.«Эта недавно появившаяся биосенсорная технология может трансформировать метаболическую инженерию в самых разных областях, от промышленного производства до медицины, и может оказать положительное влияние на нашу окружающую среду, сделав производство лекарств и химикатов независимым от ископаемого топлива», — сказал основатель Института Висса.
Директор Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, профессор сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS и программе сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессор биоинженерии в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона.
Наук.
