Microben kunnen worden ontworpen om een ​​verscheidenheid aan nuttige verbindingen te produceren, waaronder kunststoffen, biobrandstoffen en farmaceutische producten. In veel gevallen concurreren deze producten echter met de metabole routes die de cellen nodig hebben om zichzelf van brandstof te voorzien en te laten groeien.

Om te helpen het vermogen van cellen om gewenste verbindingen te produceren te optimaliseren, maar ook om hun eigen groei te behouden, hebben MIT-chemische ingenieurs een manier bedacht om bacteriën op verschillende tijdstippen tussen verschillende metabole routes te laten schakelen. Deze schakelaars zijn geprogrammeerd in de cellen en worden geactiveerd door veranderingen in de bevolkingsdichtheid, zonder menselijke tussenkomst.

"Wat we hopen is dat dit een nauwkeurigere regulering van het metabolisme mogelijk maakt, waardoor we een hogere productiviteit kunnen bereiken, maar op een manier waarbij we het aantal interventies minimaliseren", zegt Kristala Prather, de Arthur D. Little Professor of Chemical Engineering en de senior auteur van de studie.

Door dit soort omschakeling konden de onderzoekers de microbiële opbrengsten van twee verschillende producten met een factor tien verhogen.

MIT-afgestudeerde student Christina Dinh is de hoofdauteur van de krant, die wordt weergegeven in de Proceedings van de National Academy of Sciences deze week.

Dubbele schakelaar

Om ervoor te zorgen dat microben nuttige verbindingen synthetiseren die ze normaal niet produceren, voegen ingenieurs genen in voor enzymen die betrokken zijn bij de metabole route - een reeks reacties die een specifiek product genereren. Deze aanpak wordt nu gebruikt om veel complexe producten te produceren, zoals geneesmiddelen en biobrandstoffen.

In sommige gevallen maken tussenproducten die tijdens deze reacties worden geproduceerd ook deel uit van metabole routes die al in de cellen bestaan. Wanneer cellen deze tussenproducten wegleiden van het ontworpen pad, verlaagt dit de algehele opbrengst van het eindproduct.

Met behulp van een concept dat dynamische metabole engineering wordt genoemd, heeft Prather eerder schakelaars gebouwd die cellen helpen het evenwicht te bewaren tussen hun eigen metabole behoeften en de weg die het gewenste product produceert. Haar idee was om de cellen te programmeren om autonoom tussen paden te schakelen, zonder tussenkomst van de persoon die de fermentor bedient waar de reacties plaatsvinden.

In een studie gepubliceerd in 2017, Het laboratorium van Prather gebruikte deze aanpak om te programmeren E. coli om glucaric acid te produceren, een voorloper van producten zoals nylons en detergenten. De strategie van de onderzoekers was gebaseerd op quorum sensing, een fenomeen dat bacteriële cellen normaal gesproken gebruiken om met elkaar te communiceren. Elke bacteriesoort scheidt bepaalde moleculen af ​​die hen helpen nabijgelegen microben te detecteren en elkaars gedrag te beïnvloeden.

Het MIT-team ontwierp hun E. coli cellen om een ​​quorum-detectiemolecuul genaamd AHL af te scheiden. Wanneer de AHL-concentraties een bepaald niveau bereiken, sluiten de cellen een enzym af dat een voorloper van glucaric zuur omleidt naar een van de eigen metabole routes van de cellen. Hierdoor kunnen de cellen normaal groeien en delen totdat de populatie groot genoeg is om grote hoeveelheden van het gewenste product te produceren.

'Die paper was de eerste die aantoonde dat we autonome controle konden doen', zegt Prather. "We zouden de culturen kunnen laten gaan en de cellen zouden dan voelen wanneer de tijd rijp was om een ​​verandering aan te brengen."

In het nieuwe PNAS paper, Prather en Dinh wilden meerdere schakelpunten in hun cellen inbouwen, waardoor ze meer controle over het productieproces kregen. Om dat te bereiken, gebruikten ze twee quorum-detectiesystemen van twee verschillende soorten bacteriën. Ze hebben deze systemen geïntegreerd in E. coli die zijn ontwikkeld om een ​​stof genaamd naringenine te produceren, een flavonoïde die van nature voorkomt in citrusvruchten en die een aantal gunstige gezondheidseffecten heeft.

Met behulp van deze quorum-detectiesystemen ontwikkelden de onderzoekers twee schakelpunten in de cellen. Eén schakelaar is ontworpen om te voorkomen dat bacteriën een naringenine-precursor, malonyl-CoA genaamd, omleiden naar de eigen metabole routes van de cellen. Op het andere schakelpunt vertraagden de onderzoekers de productie van een enzym in hun kunstmatige route, om te voorkomen dat er een precursor ophoopt die normaal gesproken de naringenine-route remt als te veel van de precursor zich ophoopt.

"Aangezien we componenten uit twee verschillende quorumdetectiesystemen hebben gehaald, en de regulerende eiwitten uniek zijn tussen de twee systemen, kunnen we de schakeltijd van elk van de circuits onafhankelijk verschuiven", zegt Dinh.

De onderzoekers hebben er honderden gemaakt E. coli varianten die deze twee schakelaars uitvoeren bij verschillende bevolkingsdichtheden, waardoor ze kunnen identificeren welke het meest productief was. De best presterende soort vertoonde een vertienvoudiging van de naringenin-opbrengst ten opzichte van soorten zonder deze ingebouwde schakelaars.

"De paper behandelt een belangrijk probleem op het gebied van het reguleren van metabole routes om cellulaire groei en de productie van chemicaliën in evenwicht te brengen", zegt Radhakrishnan Mahadevan, hoogleraar chemische technologie aan de Universiteit van Toronto, die niet bij het onderzoek betrokken was. “Voorheen waren de circuits voornamelijk gericht op het uitschakelen van genen die verband houden met groei, terwijl ze in deze bijdrage de flexibiliteit bieden om specifieke genen te downreguleren en opwaarts te reguleren als reactie op een trigger. Deze vooruitgang zou een flexibelere controle van metabole routes moeten bieden en zal waardevol zijn om bioprocessen te optimaliseren om hun economische levensvatbaarheid te verbeteren. "

Complexere trajecten

De onderzoekers toonden ook aan dat de multiple-switchbenadering kan worden gebruikt om te verdubbelen E. coli productie van salicylzuur, een bouwsteen van veel medicijnen. Dit proces kan ook helpen de opbrengsten te verbeteren voor elk ander type product waarbij de cellen moeten balanceren tussen het gebruik van tussenproducten voor productvorming of hun eigen groei, zegt Prather. De onderzoekers hebben nog niet aangetoond dat hun methode op industriële schaal werkt, maar ze werken aan de uitbreiding van de aanpak naar complexere trajecten en hopen deze in de toekomst op grotere schaal te testen.

'We denken dat het zeker een bredere toepasbaarheid heeft', zegt Prather. "Het proces is zeer robuust omdat het niet vereist dat iemand op een bepaald moment in de tijd aanwezig is om iets toe te voegen of enige aanpassing aan het proces aan te brengen, maar laat de cellen intern bijhouden wanneer het tijd is om een verschuiving maken. '

Het onderzoek is gefinancierd door de National Science Foundation.