Кіріспе

Метаболистік инженерия – белгілі бір заттың өндірісін арттыру үшін жасушалардағы генетикалық және реттеуші процестерді оңтайландыру тәжірибесі. Бұл процестер – химиялық желілер, олар биохимиялық реакциялар мен ферменттер тізбегін пайдаланады, бұл жасушаларға шикізатты өмір тіршілігі үшін қажетті молекулаларға айналдыруға мүмкіндік береді. Метаболистік инженерия осы желілерді математикалық түрде модельдеуге, пайдалы өнімдердің мөлшерін есептеуге және осы өнімдердің өндірісін шектейтін желінің бөліктерін анықтауға бағытталған. Генетикалық инженерия әдістері осы шектеулерді жою мақсатымен желіні өзгерту үшін қолданылуы мүмкін. Бұл өзгертілген желі жаңа өнімнің мөлшерін есептеу үшін қайта модельделуі мүмкін. Метаболистік инженерияның басты мақсаты – осы организмдерді өндірістік масштабта, тиімді және экономикалық тұрғыдан пайдалы заттарды өндіру үшін қолдану. Қазіргі кездегі мысалдарға сыра, шарап, ірімшік, фармацевтикалық препараттар және басқа да биотехнологиялық өнімдерді өндіру жатады. Метаболистік инженерияда қолданылатын негізгі стратегиялар: 1) биосинтез жолының шектеуші ферментін кодтайтын генді күшейтілген экспрессиялау, 2) бәсекелес метаболистік жолдарды тоқтату, 3) гетерологты ген экспрессиясы және 4) фермент инженериясы. Жасушалар осы метаболистік желілерді тіршілік үшін пайдаланатындықтан, өзгерістер жасушалардың тірі қалуына елеулі әсер етуі мүмкін. Сондықтан, метаболистік инженерияда жасушаның қажетті затты өндіру қабілеті мен оның табиғи тіршілік ету қажеттіліктері арасында компромисс туындайды. Осы себепті, метаболистік ферменттерді кодтайтын гендерді тікелей жою немесе күшейтілген экспрессиялаудың орнына, қазіргі талпыныс жасушадағы реттеуші желілерді нысанаға алуға бағытталған, метаболизмді тиімді түрде өзгерту үшін.

Тарих және қолдану

Бұрын, қажетті метаболиттің өнімділігін арттыру үшін микроорганизм химиялық мутацияға ұшыратылып, содан кейін қажетті метаболиттің өндірісін арттыратын мутант штаммы таңдалып алынар еді. Дегенмен, осы әдістің басты мәселесі – метаболит өндірісіне қатысты метаболикалық жол талдалмауы болды. Нәтижесінде, өндірістің шектеулері мен өзгерістер қажетті жол ферменттері белгісіз болып қалды. (ii) Жайылысқан бета-тотығу жолы деп аталатын, май қышқылдары мен спирттерді өндіруде табиғи жолдан артық тиімді жаңа май қышқылдары биосинтезі жолын жасау. Бұл спирттер мен май қышқылдарын катализдік түрлендіру арқылы химиялық заттар мен отынға айналдыруға мүмкіндік береді. (iii) DAHP өндірісін жақсарту. DAHP-тың глюкоза молекуласына шаққандағы теориялық максималды шығымы 3/7 құрайтыны метаболикалық ағын талдауы арқылы анықталды. Бұл себебі, глюкозадан алынған көміртегінің бір бөлігі DAHP өндірісіне жұмсалмай, көмірқышқыл газы түрінде шығындалады. Сонымен қатар, DAHP өндірісіне қатысатын метаболиттердің бірі (ФЭФ немесе фосфоэнолпируват) глюкозаны жасушаға тасымалдау үшін пируватқа (ПВР) айналдырылып, DAHP өндірісі үшін қолжетімсіз болып қалады. ФЭФ тапшылығын жою және шығымды арттыру мақсатында Patnaik және әріптестері E. coli-де PYR-ді ФЭФ-ке қайта айналдыратын реакцияны енгізу үшін генетикалық инженерия қолданды. Осылайша, глюкозаны жасушаға тасымалдау үшін қолданылатын ФЭФ қайта жаңартылып, DAHP өндірісіне пайдаланылуы мүмкін. Бұл жергілікті E. coli жүйесінен екі есе артық, 6/7-ге тең жаңа теориялық максималды шығымға әкелді. Өнеркәсіптік деңгейде метаболикалық инженерия ыңғайлырақ және тиімді бола түсуде. Биотехнология индустриясы ұйымының мәліметінше, "Солтүстік Америкадағы 50-ден астам биорефинериялық кешендер метаболикалық инженерияны қолдану арқылы жаңаруға жарамды биомассадан биоотын мен химиялық заттар өндіруге салынып жатыр, бұл парниктік газдар эмиссиясын азайтуға көмектеседі". Ықтимал биоотынға қысқа тізбекті спирттер мен алкандар (бензиннің орнына), май қышқылдарының метил эфирлері және май спирттері (дизельдің орнына), сондай-ақ май қышқылдары мен изопреноидтарға негіделген биоотын (дизельдің орнына) жатады. Метаболикалық инженерия синтетикалық биология саласындағы жаңалықтар мен метаболиттік зақымдануды түсіну және оны жөндеу немесе алдын алу бойынша прогресс арқасында тиімділік пен процестерін дамытуда. Алғашқы метаболикалық инженерия тәжірибелері реактивті аралық заттардың жиналуы инженерлік жолдардағы ағынды шектеуі мүмкін екенін және сәйкес зақымдануды бақылау жүйелері болмаған жағдайда жасушаларға зиян келтіруі мүмкін екенін көрсетті. Синтетикалық биология зерттеушілері генетикалық жолдарды оңтайландырады, бұл өз кезегінде жасушалық метаболизмге әсер етеді. Синтезделген ДНҚ құнының төмендеуі және генетикалық тізбектердің дамуы метаболикалық инженерияның қажетті нәтижелерді өндіру қабілетіне ықпал етеді.

Анализ үшін метаболистік жолды құру

Бұл процестің алғашқы қадамы – организмнің метаболизмін жақсарту немесе өзгерту арқылы қол жеткізілетін қажетті мақсатты анықтау. Анықтамалық кітаптар мен онлайн деректер базалары осы өнімді немесе нәтижені өндіретін реакциялар мен метаболикалық жолдарды зерттеу үшін пайдаланылады. Бұл деректер базаларында геномдық және химиялық ақпараттың көп мөлшері бар, соның ішінде метаболизм және басқа жасушалық процестерге арналған жолдар да қамтылған. Осы зерттеулердің нәтижесінде, қажетті өнімді немесе нәтижені жасау үшін қолданылатын организм таңдалады. Бұл шешімді қабылдағанда организмнің метаболикалық жолының қажетті жолға қаншалықты жақын екендігі, организмді күтіп ұстауға байланысты шығындар және организмнің жолын өзгертудің қаншалықты оңай екендігі ескеріледі. Эшерихия коли (E. coli) метаболикалық инженерияда аминоқышқылдар сияқты кең ауқымды өнімдерді синтездеу үшін жиі қолданылады, себебі оны күтіп ұстау және өзгерту салыстырмалы түрде жеңіл. Егер организмде қажетті өнімді немесе нәтижені өндіруге қажетті толық жол болмаса, онда жетіспейтін ферменттерді өндіретін гендер организмге енгізілуі тиіс.

Метаболистік жолды талдау

Аяқталған метаболистік жол математикалық түрде модельделеді, өнімнің теориялық мөлшерін немесе жасушадағы реакция ағындарын анықтау үшін. Ағын – желідегі белгілі бір реакцияның өтетін жылдамдығы. Тұңғыш метаболистік жолдарды қолмен талдауға болады, бірақ көбінесе есептеулерді жүзеге асыру үшін бағдарламалық қамтамасыз етуді пайдалану қажет. Бұл бағдарламалар күрделі сызықтық алгебра алгоритмдерін қолданады. Төменде көрсетілген анықталған жүйелерге арналған теңдеуді қолданып, желіні шешу үшін тиісті реакциялар мен олардың ағындары туралы қажетті мәліметтер енгізілуі керек. Реакция туралы ақпарат (мысалы, реагенттер және стехиометрия) Gx және Gm матрицаларында қамтылған. Vm және Vx матрицалары тиісті реакциялардың ағындарын қамтиды. Теңдеу шешілген кезде, ол барлық белгісіз ағындардың (Vx матрицасындағы) мәндерін береді.

Оптималды генетикалық манипуляцияларды анықтау

Желідегі реакциялардың ағындарын шешкеннен кейін, қажетті өнімнің мөлшерін барынша арттыру үшін қай реакцияларды өзгертуге болатынын анықтау қажет. Қандай генетикалық манипуляцияларды орындау керектігін анықтау үшін OptGene немесе OptFlux сияқты есептеу алгоритмдерін қолдану қажет. Олар, қандай гендерді жоғары экспрессиялау, жою немесе қажетті өнімнің өндірісін арттыру үшін жасушаға енгізу керектігі туралы ұсыныстар береді. Мысалы, егер белгілі бір реакцияның ағыны өте төмен болып, өнім мөлшерін шектейтін болса, бағдарламалық қамтамасыз ету осы реакцияны катализдейтін ферменттің жасушада жоғары экспрессиялануын ұсына алады, бұл реакция ағынын арттыруға мүмкіндік береді. Қажетті генетикалық манипуляцияларды стандартты молекулалық биология әдістерін қолдану арқылы жүзеге асыруға болады. Гендердің жолға және соңғы мақсатқа тигізетін әсеріне байланысты, оларды организмнен жоғары экспрессиялауға немесе жоюға болады.

Эксперименттік өлшеулер

Модельді шешілетін етіп жасау үшін, кейбір ағындар бұрыннан белгілі немесе тәжірибелік жолмен өлшенуі қажет. Сонымен қатар, метаболизмік желіге генетикалық өзгерістердің әсерін тексеру (олардың модельмен сәйкес екенін қамтамасыз ету) үшін желідегі ағындарды эксперименттік түрде өлшеу қажет. Реакция ағындарын өлшеу үшін, көміртектік ағындарды көміртегі-13 изотоптық белгілеу арқылы өлшеу жүргізіледі. Организмге құрамындағы белгілі бір көміртегі атомдары 12-нің орнына 13 көміртегі атомы ретінде жасалған молекулалары бар қоспа беріледі. Бұл молекулалар желіде қолданылғаннан кейін, төменгі метаболиттер де 13 көміртегімен белгіленеді, себебі олар осы атомдарды өз құрылымына қосады. Әртүрлі метаболиттердің нақты белгілену үлгісі желідегі реакция ағындарымен анықталады. Реакция ағындарын анықтау үшін есептеу алгоритмдерімен қатар газ хроматографиясы-массалық спектрометриясы (GC MS) сияқты әдістерді пайдаланып белгілену үлгілерін өлшеуге болады.