Терпеноиды, самое большое семейство натуральных продуктов, привлекли значительное внимание благодаря своему разнообразному применению в таких отраслях, как фармацевтика, парфюмерия и биотопливо. Однако эффективный синтез терпеноидов с использованием сконструированных клеточных фабрик затруднен из-за ограниченных поставок изопрена пирофосфата (IPP), ключевого строительного блока для производства терпеноидов. Теперь исследовательская группа под руководством Цзянь Чена из Университета Цзяннань в Китае сделала открытие, которое может произвести революцию в биопроизводстве терпеноидов.

В своей исследовательской статье, опубликованной в журнале Инженерное делоЧен и его команда представляют новый подход к решению проблемы недостаточного предложения IPP. Исследуя распределение метаболических потоков у Bacillus subtilis (B. subtilis), исследователи выявили дисбаланс между центральным метаболизмом и выработкой IPP как основное узкое место. Чтобы преодолеть это препятствие, они разработали стратегию ремоделирования метаболизма IPP с использованием генетически закодированных цепей с двумя входами и несколькими выходами (TIMO).

Цепи TIMO, которые реагируют на пируват и малонил-КоА, были разработаны для точной настройки метаболического потока в сторону синтеза IPP. Этот подход к ремоделированию привел к значительному увеличению пула ИПП, почти в четыре раза превышающему первоначальный уровень. Чтобы проверить эффективность своей техники, исследователи применили схемы TIMO для увеличения производства трех ценных терпеноидов: менахинона-7 (МК-7), ликопина и β-каротина.

Результаты были поразительными. Титр МК-7, терпеноида, используемого для профилактики остеопороза, артериальной кальцификации и болезни Паркинсона, достиг беспрецедентных 1549,6 мг/л в биореакторе емкостью 50 л. Это достижение представляет собой самый высокий зарегистрированный титр МК-7 на сегодняшний день. Кроме того, производство ликопина увеличилось в девять раз, а производство β-каротина увеличилось в 0,9 раза.

«Этот исследовательский прорыв открывает новые возможности для эффективного биопроизводства терпеноидов», — сказал Шаша Чжао, редактор журнала. Инженерное дело. «Система ремоделирования метаболизма IPP с помощью генетических цепей TIMO обеспечивает мощный инструмент для точной настройки сложных метаболических путей. Она может совершить революцию в производстве широкого спектра ценных химических веществ».

Успех этого исследования не только демонстрирует потенциал цепей TIMO для производства терпеноидов, но также подчеркивает их универсальность и надежность. Исследователи полагают, что эту регуляторную систему можно применить и к другим клеткам шасси, предлагая альтернативную стратегию ремоделирования метаболизма IPP.

Значение этого исследования выходит за рамки производства терпеноидов. Стратегии мультисигнальной, скоординированной и каскадной динамической регуляции, использованные в этом исследовании, закладывают основу для рациональной и глобальной точной настройки сложных метаболических путей. Этот прорыв может проложить путь к производству различных других химических веществ, что приведет к прогрессу во многих отраслях.

Поскольку мир продолжает искать устойчивые и экологически чистые альтернативы традиционному химическому синтезу, это исследование представляет собой многообещающий путь для развития процессов биопроизводства, которые являются одновременно экономически жизнеспособными и экологически чистыми.