Метаболикалық инженерия: жасуша метаболизмін өндіріс үшін оптимизациялау
Metabolic engineering
Метаболикалық инженерия: жасушалардағы генетикалық процестерді өңдеу арқылы қажетті заттар өндірісін арттыру. Модельдеу, шектеулерді анықтау, өнімділікті жақсарту.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
Metabolic engineering is the practice of optimizing genetic and regulatory processes within cells to increase the cell's production of a certain substance. These processes are chemical networks that use a series of biochemical reactions and enzymes that allow cells to convert raw materials into molecules necessary for the cell's survival. Metabolic engineering specifically seeks to mathematically model these networks, calculate a yield of useful products, and pin point parts of the network that constrain the production of these products. Genetic engineering techniques can then be used to modify the network in order to relieve these constraints. Once again this modified network can be modeled to calculate the new product yield. The ultimate goal of metabolic engineering is to be able to use these organisms to produce valuable substances on an industrial scale in a cost effective manner. Current examples include producing beer, wine, cheese, pharmaceuticals, and other biotechnology products. Some of the common strategies used for metabolic engineering are (1) overexpressing the gene encoding the rate limiting enzyme of the biosynthetic pathway, (2) blocking the competing metabolic pathways, (3) heterologous gene expression, and (4) enzyme engineering. Since cells use these metabolic networks for their survival, changes can have drastic effects on the cells' viability. Therefore, trade offs in metabolic engineering arise between the cells ability to produce the desired substance and its natural survival needs. Therefore, instead of directly deleting and/or overexpressing the genes that encode for metabolic enzymes, the current focus is to target the regulatory networks in a cell to efficiently engineer the metabolism.
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.
In the past, to increase the productivity of a desired metabolite, a microorganism was genetically modified by chemically induced mutation, and the mutant strain that overexpressed the desired metabolite was then chosen. However, one of the main problems with this technique was that the metabolic pathway for the production of that metabolite was not analyzed, and as a result, the constraints to production and relevant pathway enzymes to be modified were unknown. (ii) Engineering of a new fatty acid biosynthesis pathway, called reversed beta oxidation pathway, that is more efficient than the native pathway in producing fatty acids and alcohols which can potentially be catalytically converted to chemicals and fuels (iii) Improved production of DAHP an aromatic metabolite produced by E. coli that is an intermediate in the production of aromatic amino acids. It was determined through metabolic flux analysis that the theoretical maximal yield of DAHP per glucose molecule utilized, was 3/7. This is because some of the carbon from glucose is lost as carbon dioxide, instead of being utilized to produce DAHP. Also, one of the metabolites (PEP, or phosphoenolpyruvate) that are used to produce DAHP, was being converted to pyruvate (PYR) to transport glucose into the cell, and therefore, was no longer available to produce DAHP. In order to relieve the shortage of PEP and increase yield, Patnaik et al. used genetic engineering on E. coli to introduce a reaction that converts PYR back to PEP. Thus, the PEP used to transport glucose into the cell is regenerated, and can be used to make DAHP. This resulted in a new theoretical maximal yield of 6/7 – double that of the native E. coli system. At the industrial scale, metabolic engineering is becoming more convenient and cost effective. According to the Biotechnology Industry Organization, "more than 50 biorefinery facilities are being built across North America to apply metabolic engineering to produce biofuels and chemicals from renewable biomass which can help reduce greenhouse gas emissions". Potential biofuels include short chain alcohols and alkanes (to replace gasoline), fatty acid methyl esters and fatty alcohols (to replace diesel), and fatty acid and isoprenoid based biofuels (to replace diesel). Metabolic engineering continues to evolve in efficiency and processes aided by breakthroughs in the field of synthetic biology and progress in understanding metabolite damage and its repair or preemption. Early metabolic engineering experiments showed that accumulation of reactive intermediates can limit flux in engineered pathways and be deleterious to host cells if matching damage control systems are missing or inadequate. Researchers in synthetic biology optimize genetic pathways, which in turn influence cellular metabolic outputs. Recent decreases in cost of synthesized DNA and developments in genetic circuits help to influence the ability of metabolic engineering to produce desired outputs.
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.
The first step in the process is to identify a desired goal to achieve through the improvement or modification of an organism's metabolism. Reference books and online databases are used to research reactions and metabolic pathways that are able to produce this product or result. These databases contain copious genomic and chemical information including pathways for metabolism and other cellular processes. Using this research, an organism is chosen that will be used to create the desired product or result. Considerations that are taken into account when making this decision are how close the organism's metabolic pathway is to the desired pathway, the maintenance costs associated with the organism, and how easy it is to modify the pathway of the organism. Escherichia coli (E. coli) is widely used in metabolic engineering to synthesize a wide variety of products such as amino acids because it is relatively easy to maintain and modify. If the organism does not contain the complete pathway for the desired product or result, then genes that produce the missing enzymes must be incorporated into the organism.
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.
The completed metabolic pathway is modeled mathematically to find the theoretical yield of the product or the reaction fluxes in the cell. A flux is the rate at which a given reaction in the network occurs. Simple metabolic pathway analysis can be done by hand, but most require the use of software to perform the computations. These programs use complex linear algebra algorithms to solve these models. To solve a network using the equation for determined systems shown below, one must input the necessary information about the relevant reactions and their fluxes. Information about the reaction (such as the reactants and stoichiometry) are contained in the matrices Gx and Gm. Matrices Vm and Vx contain the fluxes of the relevant reactions. When solved, the equation yields the values of all the unknown fluxes (contained in Vx).
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.
After solving for the fluxes of reactions in the network, it is necessary to determine which reactions may be altered in order to maximize the yield of the desired product. To determine what specific genetic manipulations to perform, it is necessary to use computational algorithms, such as OptGene or OptFlux. They provide recommendations for which genes should be overexpressed, knocked out, or introduced in a cell to allow increased production of the desired product. For example, if a given reaction has particularly low flux and is limiting the amount of product, the software may recommend that the enzyme catalyzing this reaction should be overexpressed in the cell to increase the reaction flux. The necessary genetic manipulations can be performed using standard molecular biology techniques. Genes may be overexpressed or knocked out from an organism, depending on their effect on the pathway and the ultimate goal.
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.
In order to create a solvable model, it is often necessary to have certain fluxes already known or experimentally measured. In addition, in order to verify the effect of genetic manipulations on the metabolic network (to ensure they align with the model), it is necessary to experimentally measure the fluxes in the network. To measure reaction fluxes, carbon flux measurements are made using carbon 13 isotopic labeling. The organism is fed a mixture that contains molecules where specific carbons are engineered to be carbon 13 atoms, instead of carbon 12. After these molecules are used in the network, downstream metabolites also become labeled with carbon 13, as they incorporate those atoms in their structures. The specific labeling pattern of the various metabolites is determined by the reaction fluxes in the network. Labeling patterns may be measured using techniques such as gas chromatography mass spectrometry (GC MS) along with computational algorithms to determine reaction fluxes.