Konstruerede smarte celler forbedrer produktionen af ​​farmaceutiske råvarer

Forskere i Japan har udviklet et integreret syntetisk biologisk system til at konstruere nye metaboliske veje og enzymer i mikrober. Ved at inkorporere et "Design, Byg, Prøve, Lær" (DBTL) arbejdsgang, produktionen af ​​farmaceutiske råvarer kunne systematisk optimeres. Denne applikation understøtter konceptet med DBTL-arbejdsgangen som en bæredygtig metode til produktion af komplekse og værdifulde materialer. Resultaterne blev offentliggjort den 1. maj i open access-tidsskriftet Naturkommunikation .

Denne undersøgelse er en del af et projekt fra New Energy and Industrial Technology Development Organisation (NEDO), og blev udført af et forskningshold fra Kobe University ledet af adjunkt Christopher Vavricka, Gæsteprofessor Michihiro Araki, Professor Tomohisa Hasunuma og professor Akihiko Kondo. Tæt samarbejde med et forskerhold ledet af lektor Hiromichi Minami (Research Institute for Bioresources and Biotechnology, Ishikawa Prefectural University) var også central i dette projekt.

Det samarbejdende forskerhold deltager i et NEDO-forsknings- og udviklingsprojekt under temaet "Udvikling af produktionsteknikker til højfunktionelle biomaterialer ved hjælp af intelligente celler fra planter og andre organismer (smartcelleprojekt)". Målet med Smart Cell Project er at opnå masseproduktion af højt værdsatte målmaterialer ved at introducere gener, der koder for forbedrede veje ind i værtsmikrober. Denne proces er stærkt afhængig af informationsanalyseteknologi til at redesigne metaboliske systemer og veje, der kan øge produktionsmængder og produktionseffektivitet.

Alkaloidproduktion blev valgt som et godt eksempel på optimering, fordi alkaloider er nøglemellemprodukter i produktionen af ​​lægemidler, herunder opioid smertestillende medicin. For nylig, produktionen af ​​alkaloidafledt smertemedicin er opnået ved hjælp af mikrober, men for at gøre dette kommercielt levedygtigt skal produktionsudbyttet forbedres. Nøglealkaloidmellemproduktet tetrahydropapaverolin (THP) blev tidligere fremstillet ved hjælp af en kombination af to enzymer:aromatisk L-aminosyredecarboxylase (AAAD) og monoaminoxidase (MAO). Imidlertid, den afslappede specificitet MAO har været en barriere for effektiv THP-produktion.

For at forbedre denne proces, et metabolisk designprogram kaldet M-path blev sat på prøve. Denne forudsigelsessoftware blev udviklet af professor Araki ved Kobe University, og anvendes til at identificere nye enzymer, der kan omgå MAO for forbedrede veje til nøglealkaloidmellemproduktet THP. M-path-analysen førte til opdagelsen af ​​et lovende naturligt enzym fundet i silkeorme kaldet 3, 4-dihydoxyphenylacetaldehydsyntase (DHPAAS) som et alternativ til MAO. DHPAAS er nyt ved, at det besidder aminoxiderende evne ud over konventionel decarboxyleringsaktivitet. Holdet udviklede derefter strukturbaserede enzymteknologiske metoder til at identificere nøgleaminosyrer involveret i bestemmelsen af ​​DHPAAS-enzymaktivitet. Dette satte dem i stand til at skabe kunstige DHPAAS-enzymer, der kan justere forholdet mellem decarboxylase- og aminoxidaseaktiviteter, fører til forbedret produktion af nøglemellemproduktet THP.

Da holdet introducerede den nydesignede metaboliske vej, herunder konstruerede enzymer, ind i den konventionelle laboratoriebakterie Escherichia coli, de var i stand til præcist at kontrollere forholdet mellem nøglemellemprodukter dopamin (decarboxyleringsproduktion) og DHPAA (oxidationsprodukt). Afbalancering af dopamin- og DHPAA-niveauer førte til forbedret alkaloidproduktion i de redesignede "smartceller". For at optimere det mikrobielle produktionssystem yderligere, over 100 metabolitter blev analyseret med Shimadzu masseanalysesystemer, gør det muligt for teamet at identificere flaskehalsreaktioner og biproduktdannende bivirkninger. Ved at inkorporere metabolitinformationen som læringsdata for at drive en ny DBTL-cyklus fremad, produktionen af ​​nedstrøms alkaloidmellemprodukter blev yderligere forbedret.

Disse resultater viser, at en kombination af avanceret bioteknologi og datalogi er en effektiv strategi til hurtigt at udvikle cellefabrikker, der kan producere mange forskellige slags værdifulde materialer. Ud over, evnen til at konstruere kunstige enzymfunktioner kan hjælpe med at udvide rækken af ​​mulige produktionsmål. Ser frem til, forfatterne mener, at DBTL-arbejdsgangen vil muliggøre mere effektiv produktion af forskellige nyttige materialer, herunder lægemidler, fine kemikalier, biologiske kemikalier og biobrændstoffer. Denne syntetiske biologi-arbejdsgang forventes at give betydelige bidrag til næste generation af smartcelle-industrien til produktion af komplekse lægemidler og kemikalier samt nyopdagede materialer.