Когато дрождите или бактериите са генетично конструирани да консумират нова суровина, те могат да развият случай на метаболитно разстройство. Това означава, че тези инженерни организми могат да завършат с метаболитни пътища на хранителни вещества, които са слабо интегрирани с пътища надолу по веригата за асимилация на хранителни вещества и клетъчен растеж.

бързо

За разлика от естествените организми, които включват катаболни гени в група гени, наречени регулон, инженерните организми могат да приемат катаболни гени извън такива регулони, като в този случай гените могат да се изразяват конститутивно, непрекъснато, без да се отчитат каквито и да било регулаторни непредвидени обстоятелства. Има смисъл, че естествените организми имат геномно меню с таблица d’hôte, докато това за конструираните организми е а-ла-карт.

За да осигурят по-добро гастрономическо преживяване за инженерните дрожди, учени от Университета Туфтс възприемат подхода на масата. Те взеха набор от регулаторни гени, наречени галактоза (GAL) регулон, който обикновено обработва галактоза - предпочитана в менюто на дрождите хранителни вещества - и замениха някои от гените с тези, които се активират от и насочват разграждането на алтернативно хранително вещество, а именно ксилоза. Всички останали гени в GAL регулона са непроменени. По този начин те запазиха по-естествено взаимодействие между гените, които управляват храненето, и тези, които управляват оцеляването. Новият синтетичен регулон, наречен XYL, позволи на клетките на дрождите да растат по-бързо и до по-висока плътност на клетките.

„Вместо да изграждаме метаболитна рамка от нулата, ние можем да реверсираме съществуващите регулони, за да дадем възможност на организма да процъфтява с ново хранително вещество“, каза Никхил У. Наир, д-р, асистент по химическо и биологично инженерство в Tufts . „Адаптирането на местните регулони може да бъде значително по-бърз път към проектирането на нови синтетични организми за индустриални приложения.“

Д-р Nair е съответният автор на ново проучване („Полусинтетичен регулон позволява бърз растеж на дрожди върху ксилоза“), което се появи на 26 март в Nature Communications. Това проучване описва как чрез частично и пълно отделяне на GAL-реагиращата регулация и метаболизма в Saccharomyces cerevisiae, екипът на Tufts демонстрира значителните ползи от растежа, предоставени от GAL регулона.

„... чрез адаптиране на различните аспекти на GAL регулона за неместно хранително вещество, ксилоза, ние изграждаме полусинтетичен регулон, който показва по-висок темп на растеж, по-добра консумация на хранителни вещества и подобрена годност за растеж в сравнение с традиционната и повсеместна конститутивна стратегия за изразяване, ”Написаха авторите на статията. „Тази работа осигурява елегантна парадигма за интегриране на неместния хранителен катаболизъм с естествените, глобални клетъчни реакции, за да се подпомогне бърз растеж.“

В синтетичната биология организми като бактерии или дрожди могат да се трансформират в „минизаводи“, когато се хранят с хранителни вещества, за да произведат широк спектър от продукти, от фармацевтични продукти до промишлени химикали и биогорива. Основно предизвикателство обаче е ефективното превръщане на изобилните суровини в крайния продукт, особено когато суровината не е нещо, което обикновено ядат бактериите или дрождите.

„Вместо да изграждаме метаболитна рамка от нулата, можем да реверсираме съществуващите регулони, за да дадем възможност на организма да процъфтява с ново хранително вещество“, обясни д-р Наир. „Адаптирането на местните регулони може да бъде значително по-бърз път към проектирането на нови синтетични организми за индустриални приложения.“

Едно такова приложение е производството на етанол като биогориво. Посочени са опасения, че пренасочването на значителни части от култури, като царевица, към производството на биогорива може да има отрицателно въздействие върху наличността и цената на доставките на храни. Ксилозата обаче е захар, получена от иначе несмилаеми части от растителен материал. Способността да ферментира ксилоза може да бъде път към производството на биогорива, който не се конкурира с доставките на храни.

Като част от проучването д-р Наир и неговият екип разгледаха по-отблизо какво точно обяснява подобреното оцеляване на организма, който яде ксилоза. Те откриха многобройни гени, активирани в контролираната с XYL регулон дрожди, които регулират пътищата, участващи в растежа, като поддържане на клетъчната стена, клетъчно делене, митохондриална биогенеза и производство на аденозин трифосфат. Щамове на дрожди, които са имали конститутивен (предимно нерегулиран) контрол на метаболизма на ксилозата, са задействали пътища, свързани с клетъчен стрес, глад и увреждане на ДНК.

„Нашето проучване прилага този подход към ксилозата, но предлага по-широк принцип - адаптиране на естествените регулони за ефективно усвояване на други неместни захари и хранителни вещества“, твърди д-р Наир. „Природата вече е свършила работата по настройка на гени и метаболитни пътища към околната среда на организма. Нека се възползваме от това, когато въвеждаме нещо ново в менюто. "