Введение
Метаболическая инженерия – это практика оптимизации генетических и регуляторных процессов внутри клеток для увеличения производства клеткой определенного вещества. Эти процессы представляют собой химические сети, использующие ряд биохимических реакций и ферментов, позволяющих клеткам преобразовывать сырье в молекулы, необходимые для выживания клетки. Метаболическая инженерия специально направлена на математическое моделирование этих сетей, расчет выхода полезных продуктов и точное определение участков сети, ограничивающих производство этих продуктов. Затем методы генной инженерии могут быть использованы для модификации сети с целью устранения этих ограничений. Эта модифицированная сеть, в свою очередь, может быть смоделирована для расчета нового выхода продукта. Конечная цель метаболической инженерии – использование этих организмов для производства ценных веществ в промышленных масштабах экономически эффективным способом. Примерами современных разработок являются производство пива, вина, сыра, фармацевтических препаратов и других продуктов биотехнологии. Некоторые из распространенных стратегий, используемых в метаболической инженерии, включают (1) сверхэкспрессию гена, кодирующего лимитирующий по скорости фермент биосинтетического пути, (2) блокирование конкурирующих метаболических путей, (3) гетерологичную экспрессию генов и (4) ферментную инженерию. Поскольку клетки используют эти метаболические сети для своего выживания, изменения могут оказывать существенное влияние на жизнеспособность клеток. Поэтому в метаболической инженерии возникают компромиссы между способностью клеток производить желаемое вещество и их естественными потребностями в выживании. В связи с этим, вместо прямого удаления и/или сверхэкспрессии генов, кодирующих метаболические ферменты, современный фокус направлен на воздействие на регуляторные сети в клетке для эффективной модификации метаболизма.
История и применение
В прошлом, для повышения продуктивности желаемого метаболита, микроорганизм генетически модифицировали с помощью химически индуцированной мутации, а затем отбирали мутантный штамм, который сверхэкспрессировал этот метаболит. Однако одной из основных проблем этой методики было то, что метаболический путь производства этого метаболита не анализировался, и, как следствие, ограничения для производства и соответствующие ферменты пути, подлежащие модификации, оставались неизвестными. (ii) Разработка нового пути биосинтеза жирных кислот, называемого путем обратной бета-окисли, который более эффективен, чем естественный путь, в производстве жирных кислот и спиртов, которые потенциально могут быть каталитически преобразованы в химические вещества и топливо. (iii) Улучшение производства DAHP – ароматического метаболита, производимого *E. coli*, являющегося промежуточным продуктом в производстве ароматических аминокислот. Метаболический флюкс-анализ показал, что теоретический максимальный выход DAHP на молекулу глюкозы составляет 3/7. Это связано с тем, что часть углерода из глюкозы теряется в виде углекислого газа, а не используется для производства DAHP. Кроме того, один из метаболитов (PEP, или фосфоенолпируват), используемых для производства DAHP, превращался в пируват (PYR) для транспорта глюкозы в клетку и, следовательно, больше не был доступен для производства DAHP. Чтобы устранить дефицит PEP и увеличить выход, Patnaik и др. использовали генетическую инженерию *E. coli* для введения реакции, которая превращает PYR обратно в PEP. Таким образом, PEP, используемый для транспорта глюкозы в клетку, регенерируется и может быть использован для производства DAHP. Это привело к новому теоретическому максимальному выходу 6/7 – вдвое больше, чем у исходной системы *E. coli*. В промышленном масштабе метаболическая инженерия становится все более удобной и экономически эффективной. По данным Biotechnology Industry Organization, "по всей Северной Америке строится более 50 биоперерабатывающих предприятий, использующих методы метаболической инженерии для производства биотоплива и химических веществ из возобновляемой биомассы, что может помочь сократить выбросы парниковых газов". Потенциальные виды биотоплива включают спирты и алканы с короткой цепью (для замены бензина), метиловые эфиры жирных кислот и жирные спирты (для замены дизельного топлива) и биотопливо на основе жирных кислот и изопреноидов (для замены дизельного топлива). Метаболическая инженерия продолжает развиваться в плане эффективности и процессов, чему способствуют прорывы в области синтетической биологии и прогресс в понимании повреждения метаболитов и его восстановления или предотвращения. Ранние эксперименты по метаболической инженерии показали, что накопление реакционноспособных промежуточных продуктов может ограничивать поток в сконструированных путях и быть вредным для клеток-хозяев, если соответствующие системы контроля повреждений отсутствуют или недостаточны. Исследователи в области синтетической биологии оптимизируют генетические пути, которые, в свою очередь, влияют на клеточные метаболические выходы. Недавнее снижение стоимости синтезированной ДНК и разработки в области генетических цепей способствуют повышению способности метаболической инженерии производить желаемые результаты.
Установка метаболического пути для анализа
Первый шаг в этом процессе — определить желаемую цель, которую необходимо достичь путем улучшения или модификации метаболизма организма. Справочные книги и онлайн-базы данных используются для изучения реакций и метаболических путей, способных производить этот продукт или обеспечивать желаемый результат. Эти базы данных содержат обширную геномную и химическую информацию, включая пути метаболизма и другие клеточные процессы. На основе этих исследований выбирается организм, который будет использоваться для создания желаемого продукта или достижения результата. При этом учитываются такие факторы, как близость метаболического пути организма к желаемому, стоимость его содержания и простота модификации его метаболических путей. Escherichia coli (E. coli) широко используется в метаболической инженерии для синтеза широкого спектра продуктов, таких как аминокислоты, благодаря относительной простоте его культивирования и модификации. Если организм не обладает полным набором путей для получения желаемого продукта или результата, то необходимо ввести в него гены, кодирующие недостающие ферменты.
Анализ метаболического пути
Завершенный метаболический путь моделируется математически для определения теоретического выхода продукта или реакционных потоков в клетке. Реакционный поток – это скорость, с которой протекает данная реакция в сети. Простой анализ метаболических путей можно выполнить вручную, но для большинства требуется использование программного обеспечения для проведения вычислений. Эти программы используют сложные алгоритмы линейной алгебры для решения этих моделей. Чтобы решить сеть, используя уравнение для определенных систем, представленное ниже, необходимо ввести необходимую информацию о соответствующих реакциях и их потоках. Информация о реакциях (такая как реагенты и стехиометрия) содержится в матрицах Gx и Gm. Матрицы Vm и Vx содержат значения реакционных потоков. Решение уравнения дает значения всех неизвестных потоков (содержащихся в Vx).
Определение оптимальных генетических манипуляций
После определения потоков реакций в сети необходимо установить, какие реакции можно изменить для максимизации выхода целевого продукта. Чтобы определить, какие конкретно генетические модификации следует провести, необходимо использовать вычислительные алгоритмы, такие как OptGene или OptFlux. Они предоставляют рекомендации относительно того, какие гены следует сверхэкспрессировать, инактивировать или ввести в клетку для повышения производства целевого продукта. Например, если поток конкретной реакции особенно низок и ограничивает количество продукта, программное обеспечение может рекомендовать сверхэкспрессию фермента, катализирующего эту реакцию, для увеличения скорости реакции. Необходимые генетические модификации можно выполнить с использованием стандартных методов молекулярной биологии. Гены могут быть сверхэкспрессированы или инактивированы в организме в зависимости от их влияния на метаболический путь и конечной цели.
Экспериментальные измерения
Для создания решаемой модели часто необходимо, чтобы некоторые потоки были уже известны или измерены экспериментально. Кроме того, для проверки влияния генетических манипуляций на метаболическую сеть (и подтверждения соответствия этих манипуляций модели) необходимо экспериментально измерять потоки в сети. Для измерения реакционных потоков используются измерения потока углерода с применением изотопной маркировки углеродом-13. Организм культивируют на среде, содержащей молекулы, в которых определенные атомы углерода заменены на изотоп углерода-13 вместо углерода-12. После метаболизма этих молекул в сети, образующиеся метаболиты также становятся мечеными углеродом-13, поскольку включают эти атомы в свою структуру. Специфический паттерн мечения различных метаболитов определяется реакционными потоками в сети. Паттерны мечения измеряются с помощью таких методов, как газовая хроматография-масс-спектрометрия (ГХ-МС), и анализируются с использованием вычислительных алгоритмов для определения реакционных потоков.