Исследователи из национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) достигли беспрецедентного успеха в генной модификации микробов для эффективного получения интересующего соединения, используя вычислительную модель и инструмент CRISPR, сообщает портал Phys.org.
Новый подход может значительно ускорить этап исследований новых процессов биопроизводства и быстрее доставить на полки передовые разработки на основе биопродукции, такие как экологически чистые виды топлива и альтернативные пластмассы. В процессе используются компьютерные алгоритмы, основанные на реальных экспериментальных данных, для определения того, какие гены в «хозяйском» микробе могут быть отключены, чтобы перенаправить энергию организма на производство большого количества целевого соединения.
В настоящее время многие ученые в этой области все еще полагаются на специальные эксперименты методом проб и ошибок, чтобы определить, какие модификации генов приводят к улучшениям. При этом ученые отключают один ген за раз, а новая разработка позволяет определить и отключить сразу десятки генов, чтобы в ускоренном режиме добиться необходимого результата, на получение которого сейчас уходит слишком много времени. Оптимизированный процесс метаболической перестройки, названный «спариванием продукт/субстрат», делает так, что весь метаболизм микроба всегда связан с производством соединения.
Чтобы проверить сочетание продукта и субстрата, команда провела эксперименты с многообещающим новым хозяином – почвенным микробом под названием Pseudomonas putida – который был сконструирован так, чтобы нести гены, производящие индигоидин, синий пигмент. Ученые оценили 63 потенциальных стратегии перенастройки и, используя рабочий процесс, который систематически оценивает возможные результаты для желаемых характеристик хозяина, определили, что только одна из них была экспериментально реалистичной. Затем они выполнили CRISPR-интерференцию (CRISPRi), чтобы заблокировать экспрессию 14 генов, в соответствии с их расчетными прогнозами.
«Мы были взволнованы, увидев, что наш штамм дает чрезвычайно высокий выход индигоидина после того, как мы одновременно нацелились на такое большое количество генов», – сказала со-ведущий автор Дипанвита Банерджи, научный сотрудник Объединенного института биоэнергетики (JBEI), работающего на базе Berkeley Lab. «Текущий стандарт метаболической перестройки – это кропотливая нацеленность на один ген за раз, а не сразу на несколько генов», – сказала она, отметив, что до этой статьи было только одно предыдущее исследование метаболической инженерии, в котором авторы заблоикровали сразу шесть генов. «Мы существенно повысили верхний предел одновременных модификаций, используя мощные подходы на основе CRISPRi. Теперь это открывает поле для рассмотрения методов вычислительной оптимизации, даже если они требуют большого количества генетических модификаций, поскольку они действительно могут привести к потрясающему результату».
Примеры целевых соединений, исследуемых в лаборатории Беркли, включают изопентенол, многообещающее биотопливо; компоненты из огнестойких материалов; и заменители исходных молекул нефтяного происхождения, используемые в промышленности, такие как прекурсоры нейлона. Многие другие группы используют биопроизводство для создания передовых лекарств.
Главный исследователь Айндрила Мухопадхьяй объяснила, что успех команды был достигнут благодаря мультидисциплинарному подходу. «Эта работа не только требовала строгого компьютерного моделирования и современной генетики, мы также полагались на наших сотрудников из подразделения Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU), чтобы продемонстрировать, что наш процесс может сохранять свои желаемые характеристики на более высоком уровне», – сказал Мухопадхьяй, вице-президент подразделения биотоплива и биопродуктов и директор ведущей инженерной группы JBEI. «Мы также сотрудничали с Объединенным институтом генома Министерства энергетики (DOE), чтобы охарактеризовать наш штамм. Неудивительно, что мы ожидаем многих подобных будущих совместных работ, чтобы изучить экономическую ценность полученных нами улучшений и глубже изучить характеристики этого радикального метаболического изменения».
