Teknik “Pemberian Ulang” Mikroba Menjanjikan Ledakan dalam Biomanufaktur


Teknik Microbe “Rewiring” Menjanjikan Ledakan dalam Biomanufacturing

Pendekatan baru untuk memodifikasi proses metabolisme mikroba akan mempercepat produksi bahan bakar, bahan, dan bahan kimia berbasis bio yang inovatif.

  • Penulis studi (dari kiri ke kanan) Andrew K. Lau, Thomas Eng, dan Deepanwita Banerjee berdiri di depan bioreaktor dua liter yang mengandung sel E. coli yang memproduksi indigoidin, yang menyebabkan warna biru tua yang kuat dari cairan tersebut. Foto ini diambil di JBEI pada Juli 2019.

    Kredit: (Credit: Berkeley Lab)

    Penulis studi (dari kiri ke kanan) Andrew K. Lau, Thomas Eng, dan Deepanwita Banerjee berdiri di depan bioreaktor dua liter yang mengandung sel E. coli yang memproduksi indigoidin, yang menyebabkan warna biru tua yang kuat dari cairan tersebut. Foto ini diambil di JBEI pada Juli 2019.

  • Bioreaktor dua liter yang mengandung kultur E. coli yang telah mengalami perubahan metabolisme untuk menghasilkan indigoidin sepanjang waktu.

    Kredit: (Credit: Berkeley Lab)

    Bioreaktor dua liter yang mengandung kultur E. coli yang telah mengalami perubahan metabolisme untuk menghasilkan indigoidin sepanjang waktu.


Peneliti dari Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) telah mencapai kesuksesan yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam memodifikasi mikroba untuk secara efisien menghasilkan senyawa yang menarik menggunakan model komputasi dan pengeditan gen berbasis CRISPR.

Pendekatan mereka dapat secara dramatis mempercepat fase penelitian dan pengembangan untuk proses biomanufaktur baru, dan mendapatkan produk berbasis bio mutakhir seperti bahan bakar berkelanjutan dan alternatif plastik di rak lebih cepat.

Proses ini menggunakan algoritme komputer – berdasarkan data eksperimen dunia nyata – untuk mengidentifikasi gen apa dalam mikroba “inang” yang dapat dimatikan untuk mengarahkan energi organisme untuk menghasilkan senyawa target dalam jumlah tinggi, bukan sup normal produk metabolisme. .

Saat ini, banyak ilmuwan di bidang ini masih mengandalkan eksperimen ad hoc, trial-and-error untuk mengidentifikasi modifikasi gen apa yang mengarah pada perbaikan. Selain itu, sebagian besar mikroba yang digunakan dalam proses biomanufaktur yang menghasilkan senyawa non-asli – artinya gen yang membuatnya telah dimasukkan ke dalam genom inang – hanya dapat menghasilkan senyawa target dalam jumlah besar setelah mikroba mencapai fase pertumbuhan tertentu, mengakibatkan lambatnya pertumbuhan. proses yang membuang energi saat menginkubasi mikroba.

Proses penyusunan ulang metabolisme yang efisien dari tim, yang disebut “pasangan produk / substrat,” membuatnya jadi seluruh metabolisme mikroba terkait untuk membuat senyawa setiap saat.

Untuk menguji pasangan produk / substrat, tim melakukan eksperimen dengan inang baru yang menjanjikan – mikroba tanah yang disebut Pseudomonas putida – yang telah direkayasa untuk membawa gen untuk membuat indigoidin, pigmen biru. Para ilmuwan mengevaluasi 63 strategi pengkabelan ulang potensial dan, menggunakan alur kerja yang secara sistematis mengevaluasi kemungkinan hasil untuk karakteristik host yang diinginkan, menentukan bahwa hanya satu dari ini yang realistis secara eksperimental. Kemudian, mereka melakukan interferensi CRISPR (CRISPRi) untuk memblokir ekspresi 14 gen, sebagaimana dipandu oleh prediksi komputasi mereka.

“Kami sangat senang melihat bahwa strain kami menghasilkan produksi indigoidine yang sangat tinggi setelah kami menargetkan sejumlah besar gen secara bersamaan,” kata rekan penulis utama Deepanwita Banerjee, seorang peneliti postdoctoral di Joint BioEnergy Institute (JBEI), yang dikelola. oleh Berkeley Lab. “Standar saat ini untuk pengkabelan ulang metabolik adalah dengan susah payah menargetkan satu gen pada satu waktu, daripada banyak gen sekaligus,” katanya, mencatat bahwa sebelum makalah ini hanya ada satu studi sebelumnya dalam rekayasa metabolik di mana penulis menargetkan enam gen. untuk knockdown. “Kami telah secara substansial menaikkan batas atas pada modifikasi simultan dengan menggunakan pendekatan berbasis CRISPRi yang kuat. Ini sekarang membuka lapangan untuk mempertimbangkan metode pengoptimalan komputasi bahkan ketika mereka memerlukan sejumlah besar modifikasi genetik, karena mereka benar-benar dapat menghasilkan keluaran transformatif, ”kata Banerjee.

Co-lead author Thomas Eng, seorang ilmuwan riset JBEI, menambahkan, “Dengan pemasangan produk / substrat, kami yakin kami dapat secara signifikan mengurangi waktu yang diperlukan untuk mengembangkan proses biomanufaktur skala komersial dengan proses yang dirancang secara rasional. Mengerikan membayangkan banyaknya tahun penelitian dan orang-orang yang menghabiskan waktu berjam-jam untuk mengembangkan artemisinin (antimalaria) atau 1-3, butanediol (bahan kimia yang digunakan untuk membuat plastik) – sekitar lima hingga 10 tahun dari buku catatan laboratorium hingga pabrik percontohan. Mengurangi skala waktu R&D secara dramatis adalah apa yang kami butuhkan untuk mewujudkan bioekonomi masa depan, ”katanya.

Contoh senyawa target yang diteliti di Berkeley Lab termasuk isopentenol, biofuel yang menjanjikan; komponen bahan tahan api; dan penggantian molekul starter yang diturunkan dari minyak bumi yang digunakan dalam industri, seperti prekursor nilon. Banyak kelompok lain menggunakan biomanufaktur untuk memproduksi obat-obatan tingkat lanjut.

Peneliti utama Aindrila Mukhopadhyay menjelaskan bahwa keberhasilan tim tersebut berasal dari pendekatan multidisiplin. “Pekerjaan ini tidak hanya membutuhkan pemodelan komputasi yang ketat dan genetika mutakhir, kami juga mengandalkan kolaborator kami di Unit Pengembangan Proses Biofuel dan Produk Bioproduk Lanjutan (ABPDU) untuk menunjukkan bahwa proses kami dapat mempertahankan fitur yang diinginkan di tingkat yang lebih tinggi skala produksi, ”kata Mukhopadhyay, yang merupakan wakil presiden divisi biofuel dan bioproduk dan direktur kelompok teknik tuan rumah di JBEI. “Kami juga bekerja sama dengan Institut Genom Gabungan Departemen Energi (DOE) untuk mengkarakterisasi strain kami. Tidak mengherankan, kami mengantisipasi banyak kolaborasi masa depan semacam itu untuk memeriksa nilai ekonomi dari peningkatan yang kami peroleh, dan untuk mempelajari lebih dalam tentang karakteristik pengkabelan ulang metabolik yang drastis ini. ”

Pekerjaan ini didukung oleh DOE Office of Science. DOE Joint Genome Institute adalah fasilitas pengguna DOE Office of Science di Berkeley Lab.

# # #

Didirikan pada tahun 1931 dengan keyakinan bahwa tantangan ilmiah terbesar sebaiknya ditangani oleh tim, Lawrence Berkeley National Laboratory dan para ilmuwannya telah diakui dengan 14 Hadiah Nobel. Saat ini, peneliti Berkeley Lab mengembangkan energi berkelanjutan dan solusi lingkungan, menciptakan bahan baru yang berguna, memajukan batas komputasi, dan menyelidiki misteri kehidupan, materi, dan alam semesta. Ilmuwan dari seluruh dunia mengandalkan fasilitas Lab untuk ilmu penemuan mereka sendiri. Berkeley Lab adalah laboratorium nasional multiprogram, yang dikelola oleh University of California untuk Kantor Sains Departemen Energi AS.

Kantor Sains DOE adalah pendukung terbesar penelitian dasar dalam ilmu fisika di Amerika Serikat, dan sedang berupaya untuk mengatasi beberapa tantangan paling mendesak di zaman kita. Untuk informasi lebih lanjut, silakan kunjungi energy.gov/science.

Diposting Oleh : https://singaporeprize.co/

About the author