Последние достижения в области молекулярной биологии, аналитических методов и математических инструментов привели к росту интереса к использованию инженерии метаболизма для перенаправления метаболических процессов в промышленных и медицинских целях.
Метаболическую инженерию называют направленным улучшением свойств клеток путем модификации специфических биохимических реакций или введения новых, с использованием технологии рекомбинантной ДНК.
Эта междисциплинарная область основана на принципах химической инженерии, биохимии, молекулярной и клеточной биологии и вычислительных наук.
По сути, метаболическая инженерия – это применение инженерных принципов проектирования и анализа к метаболическим путям с целью достижения определенной цели.
Эта цель может заключаться в повышении производительности процессов, как в случае с производством антибиотиков, биосинтетических полимеров или в расширении метаболических возможностей путем добавления внешних свойств для химического производства продукта или его деградации.
Такой научный подход предполагает использование технологии рекомбинантной ДНК и лучшее понимание клеточной физиологии для изменения промежуточного метаболизма.
Метаболическая инженерия в наше время
Интерес к инженерии метаболизма стимулируется потенциальным коммерческим применением усовершенствованных методов разработки штаммов, способных увеличить выработку полезных метаболитов. В последнее время усилия были сосредоточены на использовании биологически полученных процессов в качестве альтернативы химическим процессам.
Такие производственные процессы преследуют цели, связанные с "устойчивым развитием" и "зеленой химией", а также позиционируют компании для использования достижений в области биотехнологий.
Некоторые примеры этих новых процессов включают производство микроорганизмов индиго, а другие включают усовершенствования в более традиционных областях производства антибиотиков и аминокислот большим количеством фирм.
Распространение метаболической инженерии на производство желаемых соединений в тканях растений и обеспечение лучшего понимания генетически обусловленных нарушений обмена веществ человека расширяет интерес к этой области за пределы ферментационной промышленности.
Физиологические исследования
Для того чтобы инженерная стратегия была успешной, необходимо лучшее понимание клетки-хозяина, чтобы определить типы генетических изменений, необходимых для достижения конечной цели.
Некоторые из физиологических исследований, которые следует изучить, включают влияние генетической манипуляции с ростом бактерий.
Выбор метода генетической модификации
Что касается методов ДНК, то для модификации клетки-хозяина было использовано несколько подходов, направленных на достижение желаемой цели.
К ним относятся: удаление фермента или его ингибирование для устранения конкурентного пути или токсичного побочного продукта; амплификация гена или группы генов для улучшения синтеза существующих продуктов; экспрессия гетерологического ферментов для расширения спектра субстратов и для производства нового продукта или для проектирования более экологически устойчивого растения.
В качестве альтернативы может потребоваться дерегулирование существующих ферментов для преодоления существующих механизмов контроля. Для достижения этой цели может потребоваться внести ряд изменений и дополнительные манипуляции с центральным метаболическим путем бактерии.
Обратная метаболическая инженерия
Классический подход метаболической инженерии, как обсуждалось выше, требует детального знания кинетики ферментов, их характеристики и промежуточных хозяев.
Напротив, концепция обратной метаболической инженерии заключается в том, чтобы сначала определить желаемый фенотип, затем определить условия окружающей среды или генетические условия, которые дают этот фенотип, и, наконец, изменить фенотип выбранного хозяина путем генетической манипуляции.
Заключение
На сегодняшний день, практически все известные лаборатории, занимающиеся подобными метаболическими изменениями, изучают влияние точных генетических манипуляций на метаболическую активность кишечной палочки.
Так как кишечная палочка является одной из важнейших бактерий, использующейся в генетической инженерии.
Потенциальным применением данного метода является решение проблемы накопления ацетата в культуре кишечной палочки. К сожалению, в этих сложных условиях количество ацетата, накопленного в реакторе, резко возрастает, часто до такого уровня, что отрицательно сказывается на выходе как клеток, так и белка.
А это является одной из основных технических проблем в процессах производства рекомбинантных белков. Так как они сейчас активно применяются в решении таких проблем, как генные вакцины, лекарственные препараты, замещающие синтез того или иного белка или фермента в организме, и даже борьба с различными мутациями (например, изменение цвета глаз от погодных условий, отсутствие необходимого химического процесса в организме и прочее)
