Кіріспе

Американдық биолог Джей Д. Кислинг Берклидегі Калифорния университетінің химиялық инженерия және биоинженерия профессоры. Ол сондай-ақ Лоренс Беркли ұлттық зертханасының биологиялық ғылымдар жөніндегі зертхана директоры және Біріккен биоэнергетика институтының бас атқарушы директоры. Ол синтетикалық биологияның, әсіресе метаболикалық инженерияның ең алдыңғы қатарлы мамандарының бірі болып саналады. Кислинг 2010 жылы Ұлттық инженерлік академиясының мүшесі болып сайланды.

Білім

Кейслинг бакалавр дәрежесін Небраска Линкольн университетінде алды, онда ол Delta Tau Delta International Fraternity мүшесі болды. Ол 1991 жылы Мичиган университетінде Бернхард Палссонның жетекшілігімен философия докторы дәрежесін алды. Кейслинг 1991-1992 жылдары Стэнфорд университетінде Артур Корнбергпен докторантурадан кейінгі зерттеулер жүргізді.

Зерттеу

Кейслингтің қазіргі зерттеулері микроорганизмдердің ішіндегі инженерлік химияға, пайдалы химиялық заттар өндіру немесе қоршаған ортаны тазарту үшін метаболикалық инженерия деп аталатын салаға бағытталған. Синтетикалық органикалық және өнеркәсіптік химия химиктер мен инженерлерге біз күнделікті пайдаланатын химиялық заттарды өндіруге мүмкіндік бергеніндей, метаболикалық инженерия сол пайдалы химиялық заттарды өндіруде революция жасай алады, және одан да көп қайта жаңартылатын ресурстардан, мысалы қант пен целлюлозалық биомассадан. Көп жылдар бойы метаболикалық инженериядағы жұмыс қажетті химияны және жасушалар ішіндегі химияны басқару мен бақылауға арналған құралдарды орындау үшін ферменттердің жетіспеушілігімен шектелген. Жақсы генетикалық құралдардың қажеттілігін көріп, Кислинг генетикалық құралдарды әзірлеуде жұмыс істей бастады, бұл сала қазір синтетикалық биология деп аталады. Кейслингтің зертханасы генетикалық манипуляцияларды шешу үшін көптеген соңғы талдау құралдарын әзірледі немесе қабылдады. Кейслингтің зертханасы метаболикалық химияны көптеген нақты проблемаларға қолданды, соның ішінде малярияға қарсы препарат артемизининді өндіру және биоотынның құлдырауы. Кейслинг 300-ден астам мақаласын сарапшылар қараған журналдарда жариялады және 30-дан астам патент алды.

Артемизинин

Безгек - бұл әлемдік денсаулық сақтау проблемасы, ол 300-500 миллион адамға қауіп төндіреді және жыл сайын бір миллионнан астам адамды өлтіреді. Хлорохинге негізделген дәрі-дәрмектер бұрын кеңінен қолданылған, бірақ олар тиімділігін жоғалтты, өйткені безгекті тудыратын плазмодиум паразиті оларға төзімді болды. Артемизинин - Artemisia annua L-ден алынған сесквитерпен лактоны эндопероксиді Plasmodium spp-ге қарсы жоғары тиімді. басқа маларияға қарсы препараттарға төзімді. Алайда, артемизининді өндірудің қазіргі әдістерімен бірнеше проблемалар бар. Біріншіден, артемизининмен бірге қолданылатын терапияның бағасы дамушы елдерде өте қымбат. Екіншіден, артемизинин А. annua-дан алынады, ал оның өнімділігі мен консистенциясы климат пен алу процесіне байланысты. Артемизининді химиялық синтездеу әдісі бар, бірақ ол өте төмен өнімділікпен, сондықтан арзан дәрілерді өндіру үшін өте қымбат. Үшіншіден, Дүниежүзілік денсаулық сақтау ұйымы артемизининді ACT-те басқа да белсенді фармацевтикалық ингредиенттермен бірге дайындауға кеңес бергенімен, көптеген өндірушілер әлі де артемизининнің монотерапиясын шығарады, бұл Plasmodium spp. Артемизининге қарсылық пайда болады. Берклидегі Калифорния университетіндегі Кеслингтің зертханасы Escherichia coli және Saccharomyces cerevisiae екеуін де артемизининнің алдын ала прекурсоры болып табылатын артемизинин қышқылын өндіру үшін инженерлік жолмен жасады. Артемизинин немесе қазіргі уақытта безгекті емдеуде қолданылатын артемизининнің кез келген туындысын қалыптастыру үшін белгіленген, қарапайым, арзан химияны қолдану арқылы алуы мүмкін. Микроорганизмдер он ферменттік биосинтез жолымен Артемизия аннуа, Сахаромицес церевизиа және Эшерихия коли гендерін (барлығы он екі ген) пайдаланып, глюкоза сияқты қарапайым және жаңартылатын қантты малярияға қарсы препарат артемизининнің күрделі химиялық құрылымына айналдыру үшін жасалған. Инженерлік микроорганизм жасушадан соңғы өнімді бөліп шығарады, осылайша оны басқа барлық жасушалық химиялық заттардан тазартады және тазарту шығындарын, ал содан кейін соңғы дәрі-дәрмектің құнын азайтады. Артемизинин қышқылын артемизининге немесе кез келген басқа артемизинин туындысына айналдыру үшін белгілі, салыстырмалы түрде жоғары өнімді химияның бар екендігін ескере отырып, микробтық жолмен өндірілген артемизинин қышқылы осы күшті маларияға қарсы препараттар отбасының өмір сүруі мүмкін, жаңартылатын және масштабталатын көзі болып табылады. Кейслинг жұмысының маңызды элементі микробтық метаболизмді басқаруға көмектесетін генетикалық құралдарды әзірлеу болды, әсіресе қанттан жоғары өнім талап ететін төмен құнды өнімдер үшін. Оның зертханасында күрделі метаболистік жолдарды экспрессиялау үшін плазмидтер, мәдениеттің барлық жасушаларында транскрипцияны тұрақты түрде реттейтін промотор жүйелері, мРНК сегменттерінің тұрақтылығын реттеу үшін мРНК тұрақтандыру технологиялары және синтетикалық белок эшафлодына метаболистік жолдың бірнеше ферменттерін қосу үшін белок инженериясы әдісі әзірленді. Бұл және басқа да гендік экспрессия құралдары химиялық өндірісті барынша арттыру, жанама өнімдерге шығындарды азайту және микробтық қожайынды уландыратын улы аралық заттардың жиналуын азайту үшін жаңа зат алмасу жолдарын кодтайтын гендердің экспрессиясын дәл бақылауға мүмкіндік береді. Бұлардың барлығы осы маңызды дәрі-дәрмектің экономикалық өндірісі үшін маңызды. Кейслингтің жұмысының тағы бір маңызды аспектісі - артемизинин синтезі үшін жауапты Артемизия аннуадағы химия мен ферменттерді ашу. Бұл ферменттерге аморфадиенді артемизиндiк қышқылға окистендіретін цитохром P450 және ферменттен кофакторларға редуцирлеу эквиваленттерін беретін редокстік серіктестер кіреді. Бұл ферменттерді және олардың функционалдық экспрессиялануын ашып, ашытқы мен E. coli, метаболизм жолындағы басқа тоғыз ферментпен бірге, осы екі микроорганизмдер арқылы артемизиндр қышқылының өндірісіне мүмкіндік берді. S. cerevisiae ірі көлемдегі өндіріс процесіне таңдалды және артемизиндiк қышқыл өндірісін жақсарту үшін одан әрі инженерлік жолмен жасалды. Кейслингтің микробтық өндіріс процесі өсімдіктерден экстракцияға қарағанда бірқатар артықшылықтарға ие. Біріншіден, микробтық синтез артемизининге негізделген комбинациялық терапияның ең қымбат компоненті - артемизининнің құнын он есеге дейін азайтады, осылайша артемизининнен алынған безгекке қарсы дәрілерді дамушы елдерд...

Биоотын

Барлық көлік түрлеріне жаңартылатын отын қажет, бірақ микробтық көздерден алынған отынның көпшілігі кәдімгі жанып тұрған қозғалтқыштарда бензиннің кішкентай бөлігі ретінде ғана пайдаланылуы мүмкін. Кейслингтің зертханасы микроорганизмдерді қазіргі мұнайдан алынатын отынға ұқсас қасиеттері бар көмірсутектерді өндіру үшін құрастырды. Бұл отын өсімдіктерден алынған қанттан синтезделеді, мысалы, экономикалық құндылығы аз целлюлоза шикізаты. Нәтижесінде микроорганизмдер көміртегі көзін азайта алады, мысалы, жағалауда бұрғылау және гидравликалық сыну сияқты отын алудағы энергия шығынын азайта алады. Кейслинг және оның әріптестері Escherichia coli және Saccharomyces cerevisiae майы қышқылы негізіндегі биоотын май қышқылы этил эфирлерін, алкендерді және метилкетондарды өндіру үшін құрастырыла алатынын көрсетті. Сызықтық көмірсутектер дизельдің негізгі құрамдас бөлігі болғандықтан, биологиялық жолмен өндірілетін отын дизельдің өте жақсы орнын алады. Алайда, тек қана уылдырық тізбектері бар отын суық жағдайда қатып қалады. Қысқа уақыт ішінде қолдануға жарамды отын жасау үшін Кеслингтің зертханасы E. coli және S. cerevisiae бактерияларын пайдаланып, изопреноидты биосинтез жолын қолдана отырып, тармақталған және циклдік көмірсутектерді өндірді: бензиннің орнын алмастыратын изопентанол; реактивті отынның орнын алмастыратын пинен; және дизель отынының орнын алмастыратын бисаболен. Изопреноидтар арқанның әрбір төрт көміртегін метилдік жақтау тізбегін қосатындықтан, изопреноидтардан жасалған отынның мұздану және бұлтты нүктелері өте төмен, сондықтан оларды суық ауа райының дизельдері мен реактивті отын ретінде қолдануға болады. Микробтық ферментацияны ұлғайтудағы ең үлкен қиындықтардың бірі микробтық штаммның тұрақтылығы болып табылады: инженериялық микроорганизм метаболистік жолды мутациялауға немесе тастауға тырысады, себебі метаболистік жолдағы аралық заттар жинақталады және жасушаларға уытты болады. Жолдағы ағысты теңестіру және қажетті биоотын өндірудің құнын төмендету үшін Кеслингтің зертханасы жолдағы аралық заттардың деңгейін сезіну және жолдың белсенділігін реттеу үшін динамикалық реттегіштерді жасады. Бұл реттеуіштер жолды және жасушаны тұрақтандырып, биоотынның өнімділігін арттырды, бұл жасушаларды отын өндіру үшін ірі ферментациялық резервуарларда өсіруге мүмкіндік берді. Ең жақсы отын мен химиялық заттардың көбі өндіруші организм үшін уытты. Отынның уыттылығын шектеудің бір жолы - отынды жасушадан белсенді түрде сорғылау. Белгілі бір отынға ең қолайлы сорғыларды анықтау үшін Кислинг және оның әріптестері көптеген, әртүрлі, үш компонентті тасымалдаушылар үшін қоршаған ортадағы микроорганизмдерді биопроспектирлеп, белгілі бір отынға ең тиімді сорғыларды таңдады. Бұл тасымалдаушылар E. coli бактериясына отынның қатысуымен өсіп, нәтижесінде мақсатты отынның көбірек мөлшерін өндіреді, бұл тасымалдаушы болмаған жағдайда мүмкін болмас еді. Биоотын өндірісінің шығындарының ең маңызды факторы - бастапқы материалдар (әдетте қант). Целюлоза - қымбат емес бастапқы материал, оны қымбат ферменттер коктейлімен қосып, қант түріне полимерлеу керек. Бұл шығындарды азайтудың бір жолы - отын өндіретін микробты целлюлоза мен гемицеллюлозаны полимердендіру ферменттерін өндіру үшін жасау. Жақында Кислингтің зертханасы целлюлоза мен гемицеллюлозаны қант түрінде полимерлендіруге және бензин орнына (бутанол), дизель отынына (май қышқылдарының этил эфирлері) немесе ұшақ отынына (пинен) орнына шығаратын ферменттерді синтездеу және бөліну үшін микроорганизмді құрастыруға болатынын көрсетті. Технологиялық платформа ретінде биоотын өндірісі үлкен экономикалық кедергілерге тап болады, олардың көбісі шикі мұнай мен басқа да дәстүрлі отынның нарықтық бағасына байланысты. Дегенмен, метаболикалық инженерия - бұл технология, ол бәсекеге қабілетті болып келеді және 2020 жылға қарай оның әсері кең болады деп күтілуде.

Компаниялар

Кейслинг Amyris (Винсент Мартин, Джек Ньюман, Нил Реннингер және Кинкед Рейлингпен бірге), LS9 (қазір Джордж Чёрч пен Крис Сомервиллмен бірге REG құрамына кіреді) және Lygos (Леонард Катц, Клем Фортман, Джеффри Дитрих және Эрик Стинмен бірге) негізін қалады.

Жеке өмір

Кейслинг Небраска штатының Гарвард қаласынан шыққан және ашық гей.