Tack vare en mindre känd egenskap inom mikrobiologi har forskare från Michigan State University hjälpt till att öppna en dörr som kan leda till att mediciner, vitaminer och annat tillverkas till lägre kostnader och med förbättrad effektivitet.

Det internationella forskarteamet, som leds av Henning Kirst och Cheryl Kerfeld vid College of Natural Science, har ändrat vad som kallas bakteriemikrokompartment och programmerat dem för att producera värdefulla kemikalier från billiga startingredienser.

Teamet publicerade sitt arbete den 22 februari i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Mikrofacken, de är som nanoreaktorer eller nanofabriker", säger Kirst, en senior forskningsassistent vid Kerfelds labb, som verkar vid både MSU och Lawrence Berkeley National Laboratory.

Kirst, Kerfeld och deras lagkamrater såg mikrofacken som en möjlighet att ta viktiga kemiska reaktioner till nästa nivå. Under de senaste decennierna har forskare utnyttjat kraften hos enzymer som finns i bakterier för att skapa värdefulla kemiska produkter inklusive biobränslen och mediciner.

I dessa industriella tillämpningar förlitar sig kemister ofta på att hela mikroorganismen producerar den önskade föreningen, vilket Kirst sa kan leda till komplikationer och ineffektivitet.

"Analogin vi använder är att det är som ett hus. Om du har reaktioner överallt kan det bli väldigt komplicerat," sa Kirst. "Tänk dig att du börjar ta en dusch i källaren, men sedan måste du gå till andra våningen för att hämta schampo, sedan tillbaka till källaren för att sluta duscha och sedan till första våningen för att hämta din handduk. Det är bara väldigt ineffektivt."

När det gäller mikroorganismer kan bakterierna göra en ingrediens på ena sidan av sin cell, medan det specifika enzymet som använder den ingrediensen för att göra slutprodukten finns på den andra sidan. Sedan, även om den ingrediensen kan ta sig igenom cellen, finns det andra enzymer längs vägen som kan rycka upp den och använda den till något annat.

Enzymerna lever dock i bakteriella mikrofack, som är som rum i huset som är cellen. Forskarna och deras kollegor visade att de kunde konstruera mikrofack för att optimera en specifik reaktion och föra samman de nödvändiga enzymerna och ingredienserna i samma, mindre utrymme, snarare än att de skulle spridas ut.

"Vi lägger allt vi behöver för en uppgift i samma rum," sa Kirst. "Kompartmenteringen ger oss mycket mer kontroll och förbättrar effektiviteten."

"Det är som att arbeta i en effektiv lägenhet jämfört med Spelling Manor", säger Kerfeld, en Hannah Distinguished Professor vid MSU (Spling Manor är en enorm fastighet i Los Angeles - den har över 100 rum och mer än 50 000 kvadratmeter). Kerfeld arbetar också i MSU-DOE Plant Research Laboratory, som stöds av U.S. Department of Energy.

Som ett bevis på konceptet konstruerade teamet ett mikrofacksystem som kunde förvandla de enkla och billiga föreningarna formiat och acetat till pyruvat.

"Pyruvat är också en relativt enkel föregångare för praktiskt taget allt som biologi kan göra - till exempel läkemedel, vitaminer och smakämnen," sa Kirst. "Men vi tror att hela principen är mycket generaliserbar till många andra metabola vägar som skulle vara intressanta att utforska."

Och de är inte de enda som tycker det.

"Systemet som beskrivs här kan användas som en plattform i ambitiösa ingenjörsprojekt", skrev Volker Müller i en kommentar om forskningen. Müller är chef för institutionen för mikrobiologi och bioenergetik vid Goethe-universitetet i Frankfurt och var inte involverad i projektet.

"Detta är spännande och banar vägen för att använda strategin för att konstruera (bakteriella mikrokompartement) för produktion av olika föreningar från billiga substrat," sa han.

Bakteriemikrokompartment liknar organellerna eller små "organ" som finns i cellerna hos eukaryoter, som inkluderar växter, människor och andra djur. Även om de finns i många olika typer av bakterier, där de hjälper till att utföra en mängd reaktioner, är de fortfarande relativt nya för vetenskapen. Det tog tillkomsten av högupplöst elektronmikroskopi och prisvärd gensekvensering för forskare att inse hur utbredda och mångsidiga dessa avdelningar är, förklarade Kerfeld.

Genom att arbeta med forskare vid Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology har de spartanska forskarna stärkt den mångsidigheten. De har visat hur forskare kan skapa versioner av dessa fack som inte finns i naturen.

"Vi kan ta arkitekturen för facket och sätta in en helt ny typ av reaktion," sa Kerfeld. "Den här strategin kan användas på många olika sätt för många olika användningsområden, till och med användningar som inte är kompatibla med bakterier."

"Jag tror att det är den stora bedriften," sa Kirst. "Vi tog ett stort steg mot att göra en syntetisk bakteriell organell." + Utforska vidare

Naturens murverk:De första stegen i hur tunna proteinark bildar polyedriska skal