Udvidelse af biosyntesevejen via retrobiosyntese

KAIST metaboliske ingeniører præsenterer for første gang den biobaserede produktion af flere kortkædede primære aminer, der har en bred vifte af anvendelser i kemiske industrier. Forskerholdet ledet af den fremtrædende professor Sang Yup Lee fra Institut for Kemi og Biomolekylær Teknik designede de nye biosyntetiske veje for kortkædede primære aminer ved at kombinere retrobiosyntese og et forstadieudvælgelsestrin.

Forskerholdet verificerede de nydesignede veje ved at bekræfte in vivo-produktionen af ​​10 kortkædede primære aminer ved at levere prækursorerne. Desuden, platformen Escherichia coli stammer blev metabolisk manipuleret til at producere tre proof-of-concept kortkædede primære aminer fra glucose, demonstrerer muligheden for biobaseret produktion af forskellige kortkædede primære aminer fra vedvarende ressourcer. Forskerholdet sagde, at denne undersøgelse udvider strategien for systematisk at designe biosyntetiske veje til produktion af en gruppe relaterede kemikalier, som demonstreret af flere kortkædede primære aminer som eksempler.

I øjeblikket, de fleste industrikemikalier, der bruges i vores daglige liv, er produceret med oliebaserede produkter. Imidlertid, der er flere alvorlige problemer med olieindustrien, såsom udtømning af fossile brændstoffer og miljøproblemer, herunder global opvarmning. For at løse disse problemer, den bæredygtige produktion af industrielle kemikalier og materialer udforskes med mikroorganismer som cellefabrikker og vedvarende non-food biomasse som råmateriale til alternativer til petroleumsbaserede produkter. Konstruktionen af ​​disse mikroorganismer er i stigende grad blevet mere effektiv og effektiv ved hjælp af systemmetabolisme - en praksis med at konstruere metabolismen af ​​en levende organisme mod produktionen af ​​en ønsket metabolit. I denne forbindelse antallet af kemikalier, der produceres med biomasse som råmateriale, er steget markant.

Selvom omfanget af kemikalier, der kan produceres ved hjælp af mikroorganismer, fortsætter med at udvide gennem fremskridt inden for systemmetabolisme, den biologiske produktion af kortkædede primære aminer er endnu ikke blevet rapporteret på trods af deres industrielle betydning. Kortkædede primære aminer er de kemikalier, der har en alkyl- eller arylgruppe i stedet for et hydrogenatom i ammoniak med kulstofkædelængder fra C1 til C7. Kortkædede primære aminer har en bred vifte af anvendelser i kemiske industrier, for eksempel, som forløber for lægemidler (f.eks. antidiabetika og antihypertensiva), landbrugskemikalier (f.eks. herbicider, fungicider og insekticider), opløsningsmidler, og vulkaniseringsacceleratorer til gummi og blødgørere. Markedsstørrelsen for kortkædede primære aminer blev anslået til at være mere end 4 milliarder amerikanske dollars i 2014.

Hovedårsagen til, at den biobaserede produktion af kortkædede primære aminer endnu ikke var mulig, skyldtes deres ukendte biosynteseveje. Derfor, holdet designede syntetiske biosynteseveje for kortkædede primære aminer ved at kombinere retrobiosyntese og et forløberudvælgelsestrin. Retrobiosyntesen tillod det systematiske design af en biosyntesevej for kortkædede primære aminer ved at bruge et sæt biokemiske reaktionsregler, der beskriver kemiske transformationsmønstre mellem et substrat og produktmolekyler på atomniveau.

Disse multiple precursorer forudsagt for den mulige biosyntese af hver kortkædet primær amin blev sekventielt indsnævret ved at bruge precursor-selektionstrinnet til effektive metaboliske ingeniøreksperimenter.

"Vores forskning viser muligheden for vedvarende produktion af kortkædede primære aminer for første gang. Vi planlægger at øge produktionseffektiviteten af ​​kortkædede primære aminer. Vi mener, at vores undersøgelse vil spille en vigtig rolle i udviklingen af ​​bæredygtige og miljøvenlige biobaserede industrier og omorganiseringen af ​​den kemiske industri, som er obligatorisk for at løse de miljøproblemer, der truer menneskehedens overlevelse, " sagde professor Lee.