В исследовательскую группу входили (слева направо) научный сотрудник Юйцзе Юань, профессор химической и биомолекулярной инженерии Хуэйминь Чжао, аспирант Уэсли Харрисон, научный сотрудник Чжэнъи Чжан и научный сотрудник Маолинь Ли (на фото не изображён). Фото: Айзек Митчелл
Исследователи постоянно ищут новые способы взломать клеточный механизм таких микроорганизмов, как дрожжи и бактерии, чтобы получать продукты, полезные для человека и общества. В новом экспериментальном исследовании команда из Института геномной биологии Карла Р. Вёзе показала, что можно расширить биосинтетические возможности этих микроорганизмов, используя свет для доступа к новым типам химических преобразований.
В статье, опубликованной в Nature Catalysis, показано, как с помощью бактериальной культуры Escherichia coli можно создать условия для производства этих новых молекул in vivo с использованием ферментативных реакций, управляемых светом. Эта концепция закладывает основу для будущих разработок в развивающейся области фотобиокатализа.
«Фотобиокатализ — это, по сути, катализ с помощью ферментов, активируемых светом. Без света целевой фермент не может катализировать реакцию. При добавлении света целевой фермент активируется», — говорит Хуэйминь Чжао (руководитель BSD/члены CAMBERS/CGD/MMG), заведующий кафедрой химической и биомолекулярной инженерии имени Стивена Л. Миллера. «Мы опубликовали множество статей, показывающих, что можно сочетать фотокатализ с ферментативным катализом для создания нового класса фотоферментов. Эти искусственные фотоферменты могут катализировать селективные реакции, которые не могут быть осуществлены с помощью природных ферментов, а также очень сложны, а иногда и вовсе невозможны при химическом катализе.
Биопроизводство позволяет наладить устойчивое производство фармацевтических препаратов, гербицидов и других натуральных и промышленных продуктов. В этих процессах используются микроорганизмы, которые от природы хорошо справляются с синтезом молекул, а также белки, называемые ферментами, которые способствуют протеканию химических реакций. Ферментативный катализ эффективен благодаря избирательности ферментов, которые отдают предпочтение молекулам определённой формы и размера. Однако, поскольку типов реакций, которые могут катализировать ферменты, гораздо меньше, чем типов реакций, которые могут катализировать химические катализаторы, количество и классы химических веществ и материалов, которые можно получить с помощью биопроизводства, ограничены по сравнению с традиционным химическим производством.
Недавно появившаяся область науки — фотобиокатализ — призвана расширить возможности биопроизводства. Несмотря на перспективность этой идеи, предстоит проделать огромную экспериментальную работу: большинство известных фотоферментативных реакций не могут быть включены в клеточный метаболизм. Предыдущие исследования группы Чжао оказались успешными в применении in vitro, но для использования в биопроизводстве их необходимо адаптировать для применения in vivo.
Чжао сказал: «Наша стратегия заключается в том, чтобы включить эти фотоферменты в клеточный метаболизм, чтобы мы могли использовать целые клетки для преобразования глюкозы, которая является очень дешёвым сырьём, в продукты с более высокой стоимостью».
Возглавляемая докторантом и первым автором статьи Юджи Юанем, исследовательская группа сосредоточилась на создании биосинтетической платформы для определенных типов химических превращений, называемых гидроалкилированием, гидроаминированием и гидроарилированием. Используя инструменты синтетической биологии, они сначала сконструировали E. coli для совместного производства всех необходимых компонентов для этих реакций, включая класс молекул, называемых свободными радикалами, которые необходимы для реакций, катализируемых светом. Важно отметить, что они разработали полностью интегрированную платформу, которая не требовала внешнего ввода материалов.
«Нам не нужно добавлять какие-либо радикальные прекурсоры, а кишечная палочка может вырабатывать фотоферменты, радикальные прекурсоры и субстраты в целых клетках», — сказал Юань.
После оптимизации платформы Юань и её коллеги протестировали различные радикальные предшественники, чтобы оценить их совместимость с платформой.
«Мы проанализировали шесть различных фотоферментативных реакций и обнаружили, что наша платформа совместима с ними, — сказал Юань. — Мы также протестировали масштабирование четырёх различных фотоферментативных реакций в биореакторе».
Но, хотя эти результаты являются многообещающими, все еще необходимы усовершенствования для того, чтобы вывести эту биотехнологию за пределы исследовательской лаборатории. Одна из проблем, над которой продолжает работать группа Чжао, заключается в увеличении низких титров - количества получаемых желаемых продуктов, — когда этот процесс осуществляется в больших масштабах в биореакторах.
«Для фотоферментативных реакций условия протекания процесса ограничены. Необходимы свет и анаэробные условия. Определение условий в биореакторе — серьёзная проблема», — сказал Юань.
Поскольку не существует биореакторов, специально предназначенных для биосинтеза под воздействием света, оптимизировать эти процессы без возможности сбора данных об уровне освещённости в реакторе сложно. Команда изучает способы решения этой проблемы, в том числе обращается в компании, чтобы узнать, можно ли разработать специальный биореактор для этих целей.
Еще одним следующим шагом в этом исследовании является использование фотобиосинтетической платформы для синтеза высокоценных продуктов, таких как препараты, одобренные FDA, или гербициды. Но в целом это исследование является важной вехой в области фотобиокатализа, представляя собой первый пример интеграции фотоферментативных реакций в клеточный метаболизм. Это открывает многообещающий путь для увеличения количества и классов молекул, которые микробы могут устойчиво производить.
«Это доказательство концепции. Оно демонстрирует, что можно внедрить в клеточный метаболизм сконструированные ферменты с новой для природы реакционной способностью и получать соединения, которые невозможно получить биологическими или даже химическими методами, по крайней мере в прошлом», — сказал Чжао. Пишет phys.org