Ett forskningssamarbete har upptäckt en ny mekanism genom vilken glukos som fångats av E. coli sedan utsöndras från bakteriecellen som glukos-6-fosfat (G6P). Detta fynd har betydande tillämpningar för att förbättra metoder för att på ett hållbart sätt producera användbara aromatiska föreningar och råvaror för medicin-, livsmedels- och kemisk industri (bland annat) från biomassa. Forskargruppen bestod av docent Tanaka Tsutomu från Kobe Universitys Graduate School of Engineering, specialpostdoktor Fujiwara Ryosuke och forskare Noda Shuhei et al. från RIKEN Center for Sustainable Resource Science, och professor Umetsu Mitsuo et al. vid Tohoku Universitys Graduate School of Engineering.

Baserat på den upptäckta mekanismen utvecklade forskarna framgångsrikt en ny teknik för att öka produktionen av målföreningen genom att kombinera metabolisk teknik och cellyteteknik.

Förhoppningen är att genom att tillämpa denna teknik kommer det att vara möjligt att kraftigt öka mängden målförening som produceras genom att tillsätta en liten mängd "metabolisk krydda" till mikrobens odlingsbuljong.

Dessa forskningsresultat publicerades i Metabolic Engineering den 5 mars 2022.

Huvudpunkter

• Forskarna upptäckte att en del av glukosen som fångats av E. coli utsöndrades som glukos-6-fosfat (G6P).
• De utvecklade framgångsrikt en ny teknik som kan öka produktionen av olika föreningar genom att fånga det utsöndrade G6P på ytan av bakterierna.
• Förhoppningen är att den nya tekniken kan tillämpas på "metaboliska kryddor". Detta kommer att göra det möjligt att producera stora mängder användbara föreningar genom att helt enkelt tillsätta en liten mängd "metabolisk krydda" till mikrobens odlingsbuljong.

Forskningsbakgrund

En stor fördel med produkter som härrör från biomassa (lågkostnadsförnybara resurser som är rikliga i naturen, såsom gräs och träd) är att de är koldioxidneutrala; deras produktion och bortskaffande ökar inte atmosfärens CO₂ nivåer. Inom bioproduktionsteknologier används denna biomassa som råvara och mikrober appliceras på den för att producera målföreningar (till exempel aromatiska föreningar för bland annat kemisk, läkemedels- och livsmedelsindustri). Utvecklingen av dessa teknologier bidrar till SDG och är avgörande för att förverkliga ett samhälle med låga koldioxidutsläpp.

Docent Tanakas forskargrupp har visat biomassanedbrytningsenzymer på ytan av en mängd olika mikrober och har utvecklat cellyteteknik för att förbättra den rumsliga upplösningen av biomassa. Mikrober bryter ner de sockerarter som finns i växtbiomassa som cellulosa och cellooligosackarid till glukos. I sin tidigare studie konstruerade forskarna mikroberna metaboliskt så att den nedbrutna glukosen fångades upp av mikroberna och användes enbart för att producera målföreningen.

Under loppet av denna forskning upptäckte de ett nytt fenomen helt utan samband med biomassanedbrytning. De fann att produktionen av målföreningen ökades av enzymytexpression. Genom att använda detta fenomen visade de att det var möjligt att öka hastigheten och mängden av produktion av biomassa-härledda föreningar, vilket bidrog till avkolningen av materiaproduktion. Gruppen genomförde sedan ytterligare forskning med syftet att förstå mekanismen bakom detta fenomen och tillämpa det på metaboliska kryddor.

Forskningsmetodik

Denna forskargrupp upptäckte ett helt nytt fenomen där en del av glukosen som fångas upp av modellmikroorganismen E. coli stöts ut från bakteriecellen som glukos-6-fosfat (G6P). Normalt omvandlar mikrober kontinuerligt glukos (deras näringskälla) till G6P och fångar det inuti sina celler. Fram till nu har man trott att G6P inte kastades ut från de bakterieceller som en gång fångats in. Denna studie avslöjade en ny mekanism genom vilken E. coli skjuter ut G6P, vilket motsäger den allmänt accepterade teorin. Biomassanedbrytningsenzymet uttrycks på mikrobens cellyta och stöter ut G6P. Forskarna fann att tillfälligt fångst av denna G6P stimulerade ämnesomsättningen inuti E. coli-cellerna och därmed ökade produktionen av målföreningen.

Därefter använde forskargruppen denna mekanism för att lokalisera olika proteiner som kan fånga G6P på bakteriecellytan. På så sätt utvecklade de en ny teknik för att öka målblandningsproduktionen. De demonstrerade framgångsrikt den nya tekniken genom att producera ökade mängder av den aromatiska aminosyran fenylalanin.

Dessutom ökade de också produktionen av den aromatiska aminosyran tyrosin och mukonsyra (en användbar Dikarboxylsyra) genom att använda den utvecklade tekniken. Särskilt mukonsyra är en mycket viktig och användbar industriell kemikalie. Den kan enkelt omvandlas till adipinsyra, en ingrediens i nylontillverkning och används även som råvara vid tillverkning av olika läkemedel och kemiska produkter. Dessa resultat visar att denna nya teknik är mycket mångsidig och kan tillämpas på produktion av olika kemiska föreningar.

Vidare utveckling

Forskargruppen har bekräftat att det, som ett alternativ till att uttrycka proteiner på ytan av bakterieceller, är möjligt att få samma fenomen att inträffa genom att tillsätta en speciell molekyl till odlingsbuljongen. Forskarna har kallat små molekyler som har denna karaktäristiska "metaboliska kryddor" och arbetar för närvarande med att utveckla dem. De hoppas kunna öka produktionen av målföreningar enbart genom att tillsätta en liten mängd metabolisk krydda till mikrobens odlingsbuljong, utan att behöva genetiskt modifiera mikroben.

Dessutom förbättrar denna teknik specifika metabola vägar och ökar tillgången på prekursorer till olika användbara ämnen). Det kan också tillämpas även i de fall där slutprodukten inte kan fastställas. Dessutom har resultaten av denna studie visat att en måttlig nivå av selektivitet och affinitet med G6P är tillräcklig.

Metoden för metaboliska kryddor skiljer sig från befintliga metoder för att upptäcka kemikalier med hög selektivitet och affinitet. Därför är det troligt att det finns nya kandidater för den metaboliska kryddansatsen bland de "avvisade kemikalierna" som är katalogiserade i de kemiska biblioteken som finns hos olika industrier. Förhoppningen är att detta ska leda till nya samarbeten mellan akademi och industri även med företag som inte har något tidigare engagemang i bioproduktion. + Utforska vidare

Ny metabolisk ingenjörsstrategi förbättrar bioproduktionen av polymera råvaror