Nowoczesna biotechnologia zapewnia nowe podejście do produkcji substancji chemicznych i środków terapeutycznych
Fabryki komórek stają się obiecującą alternatywą dla produkcji substancji chemicznych i środków terapeutycznych w procesach opartych na biologii stosowanych w przemyśle. Jednak inżynieria komórek na potrzeby nadprodukcji docelowych substancji chemicznych z wysoką wydajnością i dużą szybkością koliduje z ich naturalnym tempem wzrostu i stanowi pewne wyzwanie technologiczne. Celem finansowanej ze środków UE inicjatywy PROMYS było rozwiązanie problemu naukowych ograniczeń związanych z inżynierią złożonych systemów biologicznych. Tradycyjnie izolacja fenotypów komórek produkcyjnych o wysokiej wydajności wymaga analizy dużych zbiorów danych w celu identyfikacji kluczowych składników genetycznych. Naukowcy z projektu PROMYS dążyli do radykalnego przyspieszenia budowy, optymalizacji i wydajności fabryk komórek dzięki nowej technologii biologii syntetycznej. „Chcieliśmy stworzyć platformę, która umożliwi wydajną identyfikację lepiej działających biokatalizatorów”, wyjaśnia koordynator projektu, prof. Morten Sommer. Pokonanie problemu wąskich gardeł biotechnologicznych W procesach fermentacji fabryki komórek często wykazują zmniejszoną produktywność, ponieważ nadprodukcja docelowej substancji chemicznej jest toksyczna lub niepotrzebna. W rezultacie zmniejsza się poziom wytwarzania i zwiększa się tempo wzrostu zmodyfikowanych komórek, co jest niezgodne z celami produkcyjnymi. Aby rozwiązać ten problem, zespół projektu PROMYS wygenerował tak zwane „systemy selekcji reagujące na ligand”, wytrzymałe obwody biomolekularne ze zintegrowanymi modułami detekcyjnymi, które wyczuwają stan komórkowy i łączą dane wyjściowe z programami komórkowymi. Zasadniczo wywiera to nienaturalną selektywną presję na komórkę gospodarza, przy czym pojedyncze komórki, które nie spełniają celów produkcyjnych, ulegają zniszczeniu. „W ten sposób można utrzymać populację fermentacyjną w pożądanym stanie wysokiej produktywności, co prowadzi do zwiększenia wydajności fermentacji”, kontynuuje prof. Sommer. W trakcie projektu badacze musieli zająć się kwestiami naukowymi związanymi z rozwojem szlaków syntetycznych, optymalizacją produkcji fabryk komórek i kontrolą populacji komórek podczas fermentacji. W tym celu zidentyfikowali specyficzne biosensory oparte na RNA i białku, które można zastosować jako reagujące na ligandy systemy selekcji kluczowych metabolitów. Reagujące na ligandy systemy selekcji stanowiły nowatorskie rozwiązanie w ramach projektu PROMYS i zostały zastosowane zamiast standardowych analitycznych metod badań przesiewowych. „Łączenie stężenia pożądanej substancji chemicznej z przeżywalnością komórek pozwoliło nam szybko przetestować wiele szlaków biosyntetycznych, omijając czasochłonne i wysoce pracochłonne metody analityczne”, kontynuuje prof. Sommer. Poprzez selektywne cykle optymalizacji biologicznej w ramach biologii syntetycznej badacze zdołali zoptymalizować określone procesy metaboliczne w zmodyfikowanych komórkach. Jednocześnie umożliwiło to stworzenie licznych bibliotek komórkowych, które następnie poddano badaniu przesiewowemu pod kątem zoptymalizowanych funkcji enzymatycznych, nowych szlaków syntezy i optymalizacji fabryki komórek. Zastosowania technologiczne Oprócz opracowania narzędzi i metodologii zespół projektu dokonał istotnych odkryć naukowych, dostarczając ważnych informacji na temat biologii syntetycznej. Poprzez integrację przyszłościowych narzędzi do inżynierii i koncepcji biologii syntetycznej platforma PROMYS pomaga zidentyfikować najkorzystniejsze parametry w ramach samoselektywnych cykli optymalizacji biologicznej. Ogólnie stanowi cenne narzędzie w rękach przyszłych inżynierów chemicznych, dając im możliwość modyfikacji ścieżek komórkowych na potrzeby określonych celów. W przypadku konkretnych zastosowań biotechnologicznych umożliwia ona inżynierię fabryk komórek w celach produkcyjnych poprzez zahamowanie naturalnych skłonności systemów biologicznych. Projekt miał na celu włączenie partnerów przemysłowych w proces komercjalizacji produktów i technologii. Profesor Sommer podsumowuje: „oczekuje się, że wyniki będą miały znaczący wpływ na różne zastosowania w przemyśle chemicznym, w tym na produkcję żywności i napojów, kosmetyków i środków farmaceutycznych; potencjalne przychody na tych rynkach szacuje się na wiele milionów euro”.
Słowa kluczowe
PROMYS, fabryka komórek, biologia syntetyczna, biotechnologia, biosensor
