Подобно людям, микроорганизмы могут быть непостоянны в своей продуктивности. В один момент они усердно производят полезные химические вещества в огромных бродильных емкостях для производства разной продукции — от фармацевтических препаратов и пищевых добавок до биоразлагаемых пластмасс или топлива, — а в следующий момент необъяснимым образом объявляют забастовку.
Инженеры Вашингтонского университета в Сент-Луисе обнаружили источник колебаний метаболической активности микроорганизмов и разработали инструменты, позволяющие поддерживать максимальную продуктивность каждой микробной клетки в процессе биопроизводства.
В работе, опубликованной в журнале Nature Communications, отслеживается работа сотен клеток кишечной палочки (E. coli) по изучению процесса их роста, деления и осуществления нормальных метаболических процессов, в ходе которого они производят желтый пищевой пигмент — бетаксантин.
Изучение метаболического шума в микробах
«Как и в случае с человеком, микробы иногда стремятся усердно работать, но при этом «устают» гораздо быстрее и легче», — говорит Фучжун Чжан, профессор кафедры энергетики, экологии и химической инженерии имени Фрэнсиса Ф. Ахмана и содиректор Центра исследований синтетической биологии и производства передовых материалов в инженерной школе Маккелви. Фучжун Чжан является автором-корреспондентом исследования вместе с аспирантами Синьюэ Му и Александром Шмитцем.
Биоинженеры и биологи давно наблюдают значительные различия в метаболизме микроорганизмов от клетки к клетке, часто называемые метаболическим шумом или, в более общем смысле, клеточным шумом. Однако до сих пор остается неясным, что вызывает эти различия и как часто высокопродуктивные клетки переходят в низкопродуктивное состояние. Это непонимание ограничивает возможности инженеров по разработке эффективных стратегий обогащения трудолюбивых, высокопродуктивных клеток для биопроизводства.
Ответы кроются в изменчивом поведении отдельных клеток, изучение которого представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Исследователям необходимо иметь возможность измерять концентрацию метаболита в небольшом количестве, а также фермент, который его производит, внутри крошечной клетки в процессе ее роста и деления. Для решения этой задачи команда создала микрофлюидные устройства и модифицировала кишечную палочку (E. coli) для производства уникального ярко-желтого метаболита — бетаксантина, — который легко отличить от тысяч других клеточных метаболитов.
Новые инструменты и стратегии повышения производительности
Эти новые достижения позволили им обнаружить, что производство бетаксантина быстро колеблется, при этом клетки переключаются из состояния высокой продуктивности в состояние низкой продуктивности в течение нескольких часов.
Примерно 50% этого «шума» в уровне бетаксантина обусловлено колебаниями фермента, ответственного за его производство, которые возникают из-за естественной случайности (стохастичности) в экспрессии генов. Колебания скорости роста клеток составляют менее 10% изменчивости уровня бетаксантина.
Используя экспериментальные данные, команда разработала вычислительные модели для проверки четырех различных стратегий управления, направленных на увеличение биопроизводства.
Модели показали, что обогащение клеток, которые стохастически производят избыточное количество фермента, приводит к существенному увеличению производства бетаксантина. Позже команда подтвердила это предсказание в экспериментах по ферментации.
«Мы создаём генную цепь, которая позволяет клеткам с более высокой стохастической экспрессией ферментов расти быстрее. Эти клетки также становятся высокопродуктивными производителями бетаксантина, что в целом даёт нам больше продукта», — сказал Фучжун Чжан.
Данная работа является частью текущих усилий кафедры электротехники и вычислительной техники им. Маккелви по развитию новых возможностей биопроизводства в поддержку безотходной экономики замкнутого цикла. Это включает в себя сложную задачу обеспечения сосредоточенности микробных «работников» на производстве возобновляемых продуктов.
Источник: Washington University in St. Louis. Автор: Лия Шаффер.
На фото: исследователи из Вашингтонского университета отслеживали отдельные клетки, чтобы выявить колебания количества копий ферментов как основной источник метаболического шума. Авторы фото: Алекс Шмитц и Синьюэ Му.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.