Новая стратегия метаболической инженерии для эффективного использования сахара микробами улучшает биопроизводство полимерного сырья

Исследовательская группа, состоящая из аспиранта ФУДЗИВАРА Рёсукэ, доцента ТАНАКА Цутому (оба из Высшей инженерной школы Университета Кобе) и научного сотрудника НОДА Шухей (Центр наук об устойчивых ресурсах RIKEN), преуспела в повышении выхода целевого химического производства из биомасса. Они достигли этого путем метаболической модификации бактерий, используемых в биопроизводстве, так, чтобы они могли использовать разные виды сахара, поглощенные из биомассы, для разных целей. Существуют проблемы, возникающие при использовании микробов для производства целевых химических веществ; если микробы используют источники углерода (сахара) для собственного размножения, целевое химическое производство снижается. С другой стороны, подавление этого распространения приводит к ослаблению микробов, что приводит к общему снижению продуктивности. Чтобы попытаться решить эту проблему, исследовательская группа разработала новую стратегию под названием «Инженерия параллельных метаболических путей» (PMPE), позволяющую им контролировать как целевое химическое производство, так и распространение микробов. Они использовали этот подход для изменения бактерий E. coli, чтобы успешно увеличить производство муконовой кислоты, предшественника нейлона. Если станет возможным использовать выбранный источник углерода исключительно для целевого химического производства, а остальные источники использовать для размножения микробов, это приведет к большому прогрессу в производстве ароматических соединений и сырья для медицинских и химических продуктов. Результаты этого исследования были впервые опубликованы в журнале Nature Communications 14 января. Основные положения Разработка стратегии PMPE, которая позволяет независимо контролировать использование сахаров для размножения микробов и целевого химического производства. Используя этот подход, исследовательская группа успешно увеличила выход муконовой кислоты (целевого химического вещества). ПМПЭ может применяться для производства различного сырья, такого как ароматические соединения и дикарбоновая кислота, используемого в химической продукции и лекарствах. Ожидается повышение эффективности использования сырья, такого как биомасса, которое содержит несколько сахаров. Предыстория исследования Мы полагаемся на ископаемое топливо в качестве сырья для производства различных продуктов. Однако производство соединений, полученных из нефти, увеличивает количество CO2 в атмосфере, вызывая множество экологических проблем, таких как глобальное потепление. Следовательно, существует необходимость в разработке технологий биопереработки (*1), которые предполагают использование микробов для производства химических соединений из природных возобновляемых ресурсов, таких как деревья и растения. Преимущество продуктов, полученных из биомассы, заключается в том, что они являются углеродно-нейтральными (*2); они не увеличивают количество CO2 в атмосфере. Есть надежда, что использование биомассы для производства различных полезных соединений может стать основой для низкоуглеродного общества, уменьшая количество CO2 в атмосфере. Муконовая кислота — полезное химическое вещество, которое можно легко превратить в адипиновую кислоту, ингредиент при производстве нейлона. Его также используют в качестве сырья при производстве различной медицинской и химической продукции. Однако в настоящее время его химически синтезируют из нефтяных ресурсов. Есть надежда, что можно будет разработать метод ферментации с использованием микробов и возобновляемых растительных ресурсов с более мягкими условиями реакции и меньшим количеством побочных продуктов. Однако существуют проблемы с использованием микробов для производства целевых химикатов из биомассы. Во многих случаях, хотя микробы и используют биомассу, они размножаются сами, вместо того, чтобы производить целевое химическое вещество. Однако изменение метаболизма с целью предотвращения размножения микробов приводит к их ослаблению, а это означает, что целевые химические вещества не могут быть синтезированы. Баланс между саморазмножением микробов и целевым химическим производством является большой проблемой. Чтобы решить эту дилемму, исследовательская группа разработала новую методику под названием «Инженерия параллельных метаболических путей» (PMPE), в которой они разделили использование сахара между размножением микробов и целевым химическим производством, что позволяет им контролировать каждый процесс независимо. Содержание исследования Лигноцеллюлозная биомасса, которая не конкурирует с мировыми запасами продовольствия, состоит из сахаров глюкозы и ксилозы. Исследовательская группа разработала метаболическую стратегию, которая включала модификацию бактерий E. coli таким образом, чтобы они могли использовать глюкозу для целевого химического производства и ксилозу для размножения микробов. У обычных микробов глюкоза и ксилоза используют один и тот же метаболический путь и используются для роста микробов и целевого химического производства. Это уменьшает количество синтезируемого целевого химического вещества, поскольку микробы поглощают сахара для производства и поддержания элементов и энергии, необходимых им для жизни. Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа разработала новую стратегию под названием PMPE. Разделение метаболического пути микробов позволяет использовать каждый сахар независимо, при этом вся глюкоза используется для целевого химического производства, а вся ксилоза - для размножения и поддержания микробов. Это позволило получить больший выход целевого химического вещества, поскольку глюкоза не использовалась для роста микробов. Эта исследовательская группа представила модифицированной кишечной палочке метаболический путь синтеза муконовой кислоты. Модифицированная кишечная палочка использовала глюкозу и ксилозу, что привело к производству целевого химического вещества. Исследователям удалось получить 4,26 г/л муконовой кислоты с выходом 0,31 г/г глюкозы. Это считается самой высокой доходностью в мире, что доказывает эффективность стратегии PMPE. Впоследствии исследователи исследовали, можно ли применить стратегию PMPE к производству целевых химических веществ, отличных от муконовой кислоты. В результате они успешно увеличили выход незаменимой аминокислоты и ароматического соединения фенилаланина, а также 1,2-пропандиола, который используется в качестве добавки в лекарствах и пищевых продуктах. Эти результаты показали, что ПМПЭ — это универсальный метод, который можно использовать для эффективного производства различных соединений. Дальнейшие разработки Ожидается, что технология ПМПЭ, разработанная этой исследовательской группой, может быть применена для увеличения производства широкого спектра сырья, такого как ароматические соединения и дикарбоновая кислота, используемого в медицинских и химических продуктах. Более того, эта стратегия изменения метаболизма бактерий позволит более эффективно использовать биомассу, содержащую несколько сахаров. Примечания *1 Технологии биопереработки Это технологии производства биотоплива, биопластика, ингредиентов лекарств и т. д. с использованием возобновляемых ресурсов биомассы. *2 Carbon Neutral Концепция поддержания постоянного количества CO2 в атмосфере за счет компенсации выбросов углерода за счет удаления углерода или полного устранения выбросов углерода. Использование биомассы вместо ископаемого топлива является примером углеродно-нейтрального процесса.