Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Świecące drożdże...
Świecące drożdże...
Genetycznie modyfikowane drobnoustroje, takie jak bakterie i drożdże, od dawna wykorzystywane są jako żywe fabryki do produkcji leków, a także chemikaliów. Ostatnio naukowcy zaczęli łączyć bakterie z technologią półprzewodnikową, która, podobnie jak panele słoneczne na dachach domów, pobiera energię ze światła i w połączeniu z powierzchnią drobnoustrojów, może zwiększyć ich potencjał biosyntezy.

 

 

Pierwsze „biologiczno-nieorganiczne systemy hybrydowe” (biohumany) koncentrowały się przede wszystkim na utrwalaniu atmosferycznego dwutlenku węgla oraz produkcji alternatywnych źródeł energii. Tak jak oczekiwano, ujawniły także kluczowe braki. Na przykład półprzewodniki, które są wykonane z metali toksycznych, jak dotąd są montowane bezpośrednio na komórkach bakteryjnych, co często szkodzi całemu procesowi. Co więcej, skupienie się na drobnoustrojach wiążących węgiel ograniczyło asortyment produktów do stosunkowo prostych cząsteczek. Gdyby można było stworzyć biohybrydy w oparciu o mikroorganizmy wyposażone w bardziej złożone metabolizmy, otworzyłoby to nowe ścieżki do produkcji znacznie większej gamy substancji chemicznych przydatnych w wielu zastosowaniach.

W związku z tym naukowcy przedstawili wysoce elastyczne rozwiązanie tych problemów. Podczas gdy ich strategia opiera się na wcześniej opracowanych systemach biomolekuł bakteryjnych, rozszerzyli tę koncepcję na drożdże – organizmy, które są bardzo popularne w przemyśle, a do tego genetycznie łatwe do manipulowania, za pomocą modułowego półprzewodnika (składnik zapewniający biochemiczną energię maszynerii metabolicznej drożdży, nietoksyczny). W wyniku połączonych manipulacji znacznie zwiększono zdolność drożdży do wytwarzania kwasu szikimowego, ważnego prekursora leku przeciwwirusowego, kilku innych leków, nutraceutyków i wysokowartościowych związków chemicznych.

Drożdże piekarskie Saccharomyces cerevisiae w naturalny sposób produkują kwas szikimowy, aby wytworzyć niektóre z jego cegiełek do syntezy białek i innych biomolekuł. Jednak, poprzez genetyczną modyfikację centralnego metabolizmu drożdży, badacze umożliwili komórkom kierowanie większej ilości atomów węgla, które ich główne źródło składników odżywczych (glukoza cukrowa) zawiera w szlaku, który wytwarza kwas szikimowy oraz zapobiega utracie węgla na alternatywne szlaki przez zakłócenie jednego z nich.

Zasadniczo zwiększony „strumień węgla” w stosunku do kwasu szikimowego powinien prowadzić do wyższych poziomów produktu, ale w normalnych komórkach drożdży, alternatywna ścieżka, którą przerwali, by zwiększyć plony, co ważne, zapewnia również energię potrzebną do napędzenia ostatniego etapu produkcji kwasu szikimowego. Aby pobudzić bardziej efektywną pod względem emisji dwutlenku węgla, ale zubożoną w energię, modyfikowaną ścieżkę kwasu szikimowego, postawili hipotezę, że zamiast tego mogą wygenerować odpowiednią cząsteczkę niosącą energię NADPH w podejściu biohybrydowym z półprzewodnikami zbierającymi światło.

W tym celu naukowcy zaprojektowali strategię, która wykorzystuje fosforek indu jako materiał półprzewodnikowy. Żeby uczynić komponent półprzewodnikowy naprawdę modularnym i nietoksycznym, pokryli nanocząstki fosforku indu „klejem” opartym na naturalnym polifenolu, co pozwoliło przyczepić je do powierzchni komórek drożdży, jednocześnie izolując komórki od toksyczności metalu.

Po przywiązaniu do powierzchni komórki i oświetleniu nanocząstki półprzewodnika pobierają elektrony (energię) ze światła i przekazują je komórkom drożdży, które przenoszą je przez ściany komórkowe do swojej cytoplazmy. Tam elektrony podnoszą poziomy cząsteczek NADPH, które mogą zasilać biosyntezę kwasu szikimowego. Kiedy biohybrydowe komórki drożdżowe są trzymane w ciemności, produkują głównie prostsze cząsteczki organiczne, takie jak glicerol czy etanol, ale po wystawieniu na działanie światła, łatwo przełączają się w tryb produkcji kwasu szikimowego z 11-krotnym wzrostem poziomu produktu, pokazując, że transfer energii ze światła do komórki działa bardzo sprawnie.

To podejście tworzy całkowicie nową przestrzeń projektową dla przyszłych technologii biohybrydowych. W przyszłości, charakter półprzewodników i rodzaj genetycznie modyfikowanych komórek drożdży będzie można zmieniać w sposób plug and play w celu rozszerzenia rodzaju procesów produkcyjnych i zakresu bioproduktów.

Tworzenie pochłaniających światło, żywych urządzeń komórkowych może zasadniczo zmienić sposób, w jaki wchodzimy w interakcję z naszym naturalnym środowiskiem i pozwoli nam być bardziej kreatywnym oraz skuteczniejszym w projektowaniu i produkcji energii, leków czy towarów chemicznych.

Źródła

Junling Guo, Miguel Suástegui, Kelsey K. Sakimoto, Vanessa M. Moody, Gao Xiao, Daniel G. Nocera, Neel S. Joshi. Light-driven fine chemical production in yeast biohybrids. Science, 2018; 362 (6416): 813.

KOMENTARZE
news

<Sierpień 2019>

pnwtśrczptsbnd
29
30
31
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
1
Newsletter