Opdagelse af nyt fænomen en game-changer for effektiv bioproduktion af nyttige kemikalier

Et forskningssamarbejde har opdaget en ny mekanisme, hvorved glukose, der blev fanget af E. coli, derefter udskilles fra bakteriecellen som glucose-6-phosphat (G6P). Dette fund har betydelige anvendelser til at forbedre metoder til bæredygtig fremstilling af nyttige aromatiske forbindelser og råmaterialer til medicin-, fødevare- og kemisk industri (blandt andre) ud fra biomasse. Forskergruppen bestod af lektor Tanaka Tsutomu fra Kobe Universitets Graduate School of Engineering, Special Postdoc-forsker Fujiwara Ryosuke og forsker Noda Shuhei et al. fra RIKEN Center for Bæredygtig Ressourcevidenskab, og professor Umetsu Mitsuo et al. fra Tohoku University's Graduate School of Engineering.

Baseret på den opdagede mekanisme udviklede forskerne med succes en ny teknik til at øge produktionen af ​​målforbindelsen ved at kombinere metabolisk manipulation og celleoverfladeteknik.

Det er håbet, at ved at anvende denne teknik vil det være muligt i høj grad at øge mængden af ​​målforbindelse, der produceres ved at tilsætte en lille mængde 'metabolisk krydderi' til mikrobens kulturbouillon.

Disse forskningsresultater blev offentliggjort i Metabolic Engineering den 5. marts 2022.

Hovedpunkter

• Forskerne opdagede, at en del af glukosen opfanget af E. coli blev udskilt som glucose-6-phosphat (G6P).
• De har med succes udviklet en ny teknik, der kan øge produktionen af ​​forskellige forbindelser ved at fange det udskilte G6P på overfladen af ​​bakterierne.
• Det er håbet, at den nye teknik kan anvendes på 'metaboliske krydderier'. Dette vil gøre det muligt at fremstille store mængder nyttige forbindelser ved blot at tilsætte en lille mængde 'metabolisk krydderi' til mikrobens kulturbouillon.

Forskningsbaggrund

En stor fordel ved produkter afledt af biomasse (billige vedvarende ressourcer, der er rigelige i naturen, såsom græs og træer) er, at de er CO2-neutrale; deres produktion og bortskaffelse øger ikke atmosfærisk CO₂ niveauer. I bioproduktionsteknologier bruges denne biomasse som råmateriale, og mikrober påføres den til at producere målforbindelser (f.eks. aromatiske forbindelser til blandt andet kemiske, farmaceutiske og fødevareindustrier). Udviklingen af ​​disse teknologier bidrager til SDG'er og er afgørende for realiseringen af ​​et lavt CO2-samfund.

Lektor Tanakas forskergruppe har udstillet biomassenedbrydningsenzymer på overfladen af ​​en række mikrober og har udviklet celleoverfladeteknologi til at forbedre den rumlige opløsning af biomasse. Mikrober nedbryder de sukkerarter, der findes i plantebiomasse, såsom cellulose og cellooligosaccharid, til glucose. I deres tidligere undersøgelse konstruerede forskerne mikroberne metabolisk, så den nedbrudte glukose blev fanget af mikroberne og udelukkende brugt til at producere målforbindelsen.

I løbet af denne forskning opdagede de et nyt fænomen, der ikke var relateret til biomassenedbrydning. De fandt, at produktionen af ​​målforbindelsen blev øget ved enzymoverfladeekspression. Ved at udnytte dette fænomen viste de, at det var muligt at øge hastigheden og mængden af ​​biomasseafledt sammensætningsproduktion, hvilket bidrager til dekarboniseringen af ​​stofproduktionen. Gruppen udførte derefter yderligere forskning med det formål at forstå mekanismen bag dette fænomen og anvende det på metaboliske krydderier.

Forskningsmetodik

Denne forskergruppe opdagede et helt nyt fænomen, hvor en del af glukosen fanget af modelmikroorganismen E. coli udstødes fra bakteriecellen som glucose-6-phosphat (G6P). Normalt omdanner mikrober kontinuerligt glucose (deres ernæringskilde) til G6P og fanger det inde i deres celler. Indtil nu har man troet, at G6P ikke blev udstødt fra bakteriecellerne, når de først blev fanget. Denne undersøgelse afslørede en ny mekanisme, hvorved E. coli udstøder G6P, hvilket modsiger den almindeligt accepterede teori. Biomassenedbrydningsenzymet udtrykkes på mikrobens celleoverflade og udstøder G6P. Forskerne fandt ud af, at midlertidig indfangning af denne G6P stimulerede metabolismen inde i E. coli-cellerne og øgede dermed produktionen af ​​målforbindelsen.

Dernæst brugte forskergruppen denne mekanisme til at lokalisere forskellige proteiner, der kan fange G6P på den bakterielle celleoverflade. På denne måde udviklede de en ny teknik til at øge målsammensætningsproduktionen. De demonstrerede med succes den nye teknik ved at producere øgede mængder af den aromatiske aminosyre phenylalanin.

Desuden øgede de også produktionen af ​​den aromatiske aminosyre tyrosin og muconsyre (en nyttig dicarboxylsyre) ved at bruge den udviklede teknik. Især muconsyre er et meget vigtigt og nyttigt industrikemikalie. Det kan nemt omdannes til adipinsyre, en ingrediens i nylonproduktion og bruges også som råmateriale i fremstillingen af ​​forskellige lægemidler og kemiske produkter. Disse resultater viser, at denne nye teknik er yderst alsidig og kan anvendes til fremstilling af forskellige kemiske forbindelser.

Yderligere udvikling

Forskergruppen har bekræftet, at det som et alternativ til at udtrykke proteiner på overfladen af ​​bakterieceller er muligt at få samme fænomen til at opstå ved at tilsætte et særligt molekyle til kulturbouillonen. Forskerne har kaldt små molekyler, der besidder denne karakteristiske 'metaboliske krydderier', og arbejder i øjeblikket på at udvikle dem. De håber på at øge målforbindelsesproduktionen blot ved at tilføje en lille mængde metabolisk krydderi til mikrobens kulturbouillon, uden at det er nødvendigt at genmanipulere mikroben.

Derudover forbedrer denne teknik specifikke metaboliske veje og øger forsyningen af ​​prækursorer til forskellige nyttige stoffer). Det kan også anvendes selv i tilfælde, hvor det endelige produkt ikke kan bestemmes. Desuden har resultaterne af denne undersøgelse vist, at et moderat niveau af selektivitet og affinitet med G6P er tilstrækkeligt.

Den metaboliske krydderitilgang er anderledes end eksisterende tilgange til at opdage kemikalier med høj selektivitet og affinitet. Derfor er det sandsynligt, at der er nye kandidater til den metaboliske krydderitilgang blandt de 'afviste kemikalier', der er katalogiseret i de kemiske biblioteker, der opbevares af forskellige industrier. Det er håbet, at dette vil føre til nye samarbejder mellem akademi og industri selv med virksomheder, der ikke tidligere har involveret sig i bioproduktion. + Udforsk yderligere

Ny metabolisk ingeniørstrategi forbedrer bioproduktion af polymerråmaterialer