Bygger nanofabrikker for at hjælpe med at fremstille medicin og mere

Takket være et mindre kendt træk ved mikrobiologi har forskere fra Michigan State University hjulpet med at åbne en dør, der kan føre til, at medicin, vitaminer og mere bliver fremstillet til lavere omkostninger og med forbedret effektivitet.

Det internationale forskerhold, ledet af Henning Kirst og Cheryl Kerfeld fra College of Natural Science, har genbrugt det, der er kendt som bakterielle mikrorum og programmeret dem til at producere værdifulde kemikalier fra billige startingredienser.

Holdet offentliggjorde sit arbejde 22. februar i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Mikrorummene, de er som nanoreaktorer eller nanofabrikker," sagde Kirst, en senior forskningsmedarbejder i Kerfelds laboratorium, som opererer på både MSU og Lawrence Berkeley National Laboratory.

Kirst, Kerfeld og deres holdkammerater så mikrorummene som en mulighed for at tage vigtige kemiske reaktioner til næste niveau. I løbet af de sidste par årtier har forskere udnyttet kraften fra enzymer, der findes i bakterier, til at skabe værdifulde kemiske produkter, herunder biobrændstoffer og medicin.

I disse industrielle anvendelser er kemikere dog ofte afhængige af, at hele mikroorganismen producerer den ønskede forbindelse, hvilket Kirst sagde kan føre til komplikationer og ineffektivitet.

"Den analogi, vi bruger, er, at det er som et hus. Hvis du har reaktioner kørende over det hele, kan det blive meget komplekst," sagde Kirst. "Forestil dig, at du begynder at tage et brusebad i kælderen, men så skal du op på anden sal for at få shampoo, så tilbage til kælderen for at afslutte brusebadet og så til første sal for at hente dit håndklæde. Det er bare meget ineffektivt."

I tilfælde af mikroorganismer kan bakterierne lave en ingrediens på den ene side af sin celle, mens det specifikke enzym, der bruger den ingrediens til at fremstille det endelige produkt, er på den anden side. Så selvom den ingrediens kan tage turen over cellen, er der andre enzymer undervejs, som kan snuppe den og bruge den til noget andet.

Enzymerne lever dog i bakterielle mikrorum, som er som rum i det hus, der er cellen. Forskerne og deres kolleger viste, at de kunne konstruere mikrorum til at optimere en specifik reaktion og bringe de nødvendige enzymer og ingredienser sammen i det samme, mindre rum i stedet for at få dem spredt ud.

"Vi lægger alt, hvad vi skal bruge til en opgave, i samme rum," sagde Kirst. "Opdelingen giver os meget mere kontrol og øger effektiviteten."

"Det er som at arbejde i en effektivitetslejlighed i forhold til Spelling Manor," sagde Kerfeld, en Hannah Distinguished Professor ved MSU (Spelling Manor er en enorm ejendom i Los Angeles - den har over 100 værelser og mere end 50.000 kvadratmeter). Kerfeld arbejder også i MSU-DOE Plant Research Laboratory, som er støttet af det amerikanske energiministerium.

Som et proof-of-concept konstruerede teamet et mikrorumsystem, der kunne forvandle de enkle og billige forbindelser formiat og acetat til pyruvat.

"Pyruvat er også en relativt simpel forløber for stort set alt, hvad biologi kan lave - for eksempel lægemidler, vitaminer og smagsstoffer," sagde Kirst. "Men vi tror, ​​at hele princippet er meget generaliserbart til mange andre metaboliske veje, som ville være interessant at udforske."

Og det er de ikke de eneste, der mener.

"Systemet beskrevet her kan bruges som en platform i ambitiøse ingeniørprojekter," skrev Volker Müller i en kommentar om forskningen. Müller er leder af Institut for Mikrobiologi og Bioenergetik ved Goethe Universitet Frankfurt og var ikke involveret i projektet.

"Dette er spændende og baner vejen for at bruge strategien til at konstruere (bakterielle mikrorum) til produktion af forskellige forbindelser fra billige substrater," sagde han.

Bakterielle mikrorum ligner de organeller eller små "organer", der findes i cellerne i eukaryoter, som omfatter planter, mennesker og andre dyr. Selvom de findes i mange forskellige typer bakterier, hvor de hjælper med at udføre en lang række reaktioner, er de stadig relativt nye for videnskaben. Det tog fremkomsten af ​​højopløsningselektronmikroskopi og overkommelig gensekventering for forskere at forstå, hvor udbredte og alsidige disse rum er, forklarede Kerfeld.

I samarbejde med forskere ved Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology har de spartanske forskere styrket denne alsidighed. De har vist, hvordan videnskabsmænd kan skabe versioner af disse rum, som ikke findes i naturen.

"Vi kan tage arkitekturen til rummet og indsætte en helt ny type reaktion," sagde Kerfeld. "Denne strategi kan anvendes på mange forskellige måder til mange forskellige anvendelser, endda anvendelser, der ikke er kompatible med bakterier."

"Jeg tror, ​​det er den største bedrift," sagde Kirst. "Vi tog et stort skridt i retning af at lave en syntetisk bakteriel organel." + Udforsk yderligere

Naturens murværk:De første trin i, hvordan tynde proteinplader danner polyedriske skaller