Тирозиново шаси за устойчиво, висок добив

изображение: Фигура 1: Пътят на биосинтеза на бетаксантин и полезни съединения, които могат да бъдат синтезирани от тирозин
изглед морето

Кредит: Авторско право © 2022, Американско химическо дружество

Изследователи от университета Кобе успешно разработиха тирозинов шаси (щам микроорганизъм с висока тирозинова продуктивност) в дрождите Pichia pastoris чрез рационално инженерство. Освен това те са използвали това тирозиново шаси за разработване на интелигентни клетки, които могат да произвеждат съединения, получени от растения, съответно ресвератрол, нарингенин, норкоклаурин и ретикулин. Тези съединения имат широк спектър от приложения; например те се използват за добавяне на хранителни вещества към храните и като суровини за лекарства. Надяваме се, че това тирозиново шаси може да се използва като отправна точка за високопроизводителен биосинтез на различни полезни съединения и генерични химикали.

Това проучване на университета в Кобе е проведено от изследователска група, включваща доктор на науките. студент КУМОКИТА Рьота (Висше училище по наука, технологии и иновации) и Професор HASUNUMA Tomohisa (Изследователски център по инженерна биология).

Тези резултати от изследването са публикувани в международното научно списание “Синтетична биология на ACS„на 16 май 2022 г.

Главни точки

  • Ароматната аминокиселина тирозин е основно съединение, което може да бъде превърнато в суровини за полимери, хранителни добавки и лекарства, наред с други. Преобразуваните съединения имат разнообразна гама от приложения в химическото производство, хранителната, козметичната и фармацевтичната индустрия.
  • Маята Pichia pastoris е силно способен да генерира протеини, въпреки това потенциалът му за производство на полезни съединения, получени от тирозин, все още не е открит.
  • Това проучване идентифицира гени в P. pastoris които повишават производителността на тирозина.
  • Изследователите показаха, че тирозиновото шаси произвежда високи добиви от различни полезни съединения, получени от тирозин (ресвератрол, нарингенин и норкоклаурин)
  • Чрез анализиране на вътреклетъчните метаболити в новия щам на P. pastoris които са разработили, изследователите разкриха и механизма, чрез който се произвежда висок добив на тирозин.
  • Това проучване е първото в света, което успешно произвежда полезни съединения, получени от тирозин чрез ферментация, използвайки суров глицерол като закваска. Суровият глицерол е основният отпадъчен страничен продукт от производството на биодизел; потенциално алтернативно гориво на нефтохимическия дизел.

Предистория на изследването
Биоактивни растителни ароматни съединения като стилбеноиди, флавоноиди и бензилизохинолинови алкалоиди (BIAs) се произвеждат от тирозин. Тези съединения имат разнообразна гама от приложения в много индустрии, включително химическо производство, хранителна, козметична и фармацевтична промишленост. Тези ароматни съединения понастоящем се произвеждат чрез директно извличане от растения, но само малки количества се намират в растенията и добивът до голяма степен зависи от времето и климата. Няма стабилно снабдяване.

През последните години напредъкът в синтетичната биология доведе до разработването на техники за производство на полезни съединения. Тези техники се възползват от способността на микроорганизмите да произвеждат вещества чрез въвеждане на растителни метаболитни пътища в микроорганизма, така че той да произвежда целевото съединение. От микроорганизмите дрождите са получили внимание като гостоприемници за производството на съединения, тъй като се отличават с биосинтезирането на съединения, получени от растения. Въпреки това, потенциалът на дрождите за производство на съединения, получени от тирозин, беше неясен, тъй като бяха докладвани малко успехи.

В това проучване изследователите започнаха със създаването на щам на дрожди, който може да произведе високи добиви на тирозин. Използвайки този нов щам като отправна точка, те направиха промени в неговия метаболизъм, за да постигнат гореспоменатата цел за производство на високи добиви от различни полезни съединения. Видът дрожди, върху който се фокусираха, беше P. pastoris. P. pastoris се размножава бързо при аеробни условия и не произвежда ферментативни странични продукти (етанол), което означава, че има потенциал да произвежда високи добиви от целевото съединение за кратък период от време. Въпреки това, няма проучвания за получаване на съединения, получени от тирозин P. pastoris и не беше известно кои гени биха били полезни за производството на високи добиви. Докато извършваха проста оценка на количеството произведен тирозин, изследователите също така търсиха гени, които подобряват производството на тирозин. След това те оцениха P. pastorisпотенциалът за биосинтезиране на полезни съединения, получени от тирозин, чрез въвеждане на пътища на биосинтеза в дрождите за всяко от следните: стилбеноид ресвератрол, флавоноид нарингенин и BIAs норкоклаурин и ретикулин.

методология на изследването
На първо място, изследователите се заеха да намерят гени в щамовете на дрожди, които засилват производството на тирозин. За да направят това, те се фокусираха върху бетаксантин, който може да бъде произведен от тирозин в 3-степенна реакция (Фигура 1).

Бетаксантинът е жълт пигмент, който излъчва зелена флуоресценция. Следователно е лесно да се оцени силата на метаболитния поток към тирозин, като се разгледа интензитетът и цвета на флуоресценцията. При създаването на този метод за оценка изследователите откриха гени, които подобряват продуктивността на тирозин и използваха това знание, за да развият успешно щам на P. pastoris с висока производителност на тирозин (Фигура 2).

Следващата цел на изследователите беше да подобрят скоростта на производство на различни полезни съединения, получени от тирозин, чрез модифициране на метаболизма на високопродуктивния щам. Те успяха значително да подобрят производството на ресвератрол, нарингенин и норкоклаурин, като въведоха специфични пътища на биосинтеза (Фигура 1) за всеки от тях, разкривайки, че P. pastoris може да произведе високи добиви на съединения, получени от тирозин (Фигура 3).

Впоследствие изследователската група анализира изчерпателно вътреклетъчните метаболити в новия P. pastoris щам, който те разработиха и изследваха механизма за висока производителност на тирозин. Резултатите разкриват, че голям брой метаболити на шикиматния път, участващи в синтеза на тирозин и тирозин, се натрупват в конструирания щам (Фигура 4). Тези резултати показват, че модифицирането на метаболизма успешно засилва метаболитния поток към тирозин. Има бъдещ потенциал за по-нататъшно увеличаване на производството на полезни съединения, които могат да бъдат биосинтезирани от тирозин чрез оптимизиране на метаболизма на пътя на шикимата.

И накрая, изследователите се стремят да произвеждат съединения, получени от тирозин, чрез ферментация със суров глицерол като среда за растеж. Суровият глицерол е основен отпадъчен страничен продукт от производството на биодизелово гориво (потенциална алтернатива на нефтохимическото гориво). Изследователската група използва течността (Фигура 5, вдясно), получена от неутрализиране на суров глицерол като растежна среда в експеримент за производство на микроби. В този експеримент те успяха да произведат същите количества ресвератрол, нарингенин и норкоклаурин, както при използване на чист глицерол. Тези резултати показват, че P. pastoris може не само да произвежда полезни съединения от чист глицерол, но и от суров глицерол.

Допълнителни изследвания
Тирозиновото шаси, разработено чрез това изследване, може да се приложи за ферментативното производство на различни полезни съединения и генерични химикали, които могат да бъдат биосинтезирани от тирозин. В допълнение, изследователите се надяват допълнително да увеличат производството на съединения, получени от тирозин, като използват резултатите от метаболомния анализ на техния нов P. pastoris щам като основа за оптимизиране на метаболитния път.

Признания
Това изследване беше подкрепено от следните изследователски проекти за развитие от Организацията за развитие на нови енергийни и индустриални технологии (NEDO) на Япония: „Разработване на производствени техники за високофункционални биоматериали, използващи интелигентни клетки на растения и други организми“ (P16009) и „Разработване на биопроизводни технология за производство на продукти, която ускорява реализирането на рециклиране на въглерод“ (P20011).


Опровержение: AAAS и EurekAlert! не носят отговорност за точността на съобщенията за новини, публикувани в EurekAlert! чрез допринасящи институции или за използване на каквато и да е информация чрез системата EurekAlert.

Leave a Comment