Введение

Американский биолог Джей Д. Кислинг - профессор химической инженерии и биоинженерии в Калифорнийском университете в Беркли. Он также является заместителем директора лаборатории по биологическим наукам в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и главным исполнительным директором Объединенного института биоэнергии. Он считается одним из ведущих авторитетов в области синтетической биологии, особенно в области метаболической инженерии. В 2010 году Кислинг был избран членом Национальной инженерной академии за разработку инструментов синтетической биологии для разработки противомалярийного препарата артемизинина.

Образование

Кислинг получил степень бакалавра в Университете Небраски в Линкольне, где он был членом Delta Tau Delta International Fraternity. В 1991 году он получил степень доктора философии в Мичиганском университете под руководством Бернарда Палссона. Кислинг провел постдокторантуру с Артуром Корнбергом в Стэнфордском университете в 1991-1992 годах.

Исследования

Текущие исследования Кейслинга сосредоточены на инженерной химии внутри микроорганизмов, области, известной как метаболическая инженерия, для производства полезных химических веществ или для очистки окружающей среды. Точно так же, как синтетическая органическая и промышленная химия позволила химикам и инженерам-химикам производить химические вещества из ископаемых топливных ресурсов, которые мы используем каждый день, метаболическая инженерия может революционизировать производство некоторых из тех же полезных химических веществ и больше из возобновляемых ресурсов, таких как сахар и целлюлозная биомасса. На протяжении многих лет работа в области метаболической инженерии была ограничена отсутствием ферментов для выполнения необходимой химии и инструментов для манипулирования и мониторинга химии внутри клеток. Увидев необходимость в лучших генетических инструментах, Кислинг начал работать над разработкой генетических инструментов, область, известная сейчас как синтетическая биология. Лаборатория Кейслинг разработала или приняла многие из последних аналитических инструментов для устранения проблем с генетическими манипуляциями. Лаборатория Кеслинг применила метаболическую химию к ряду реальных проблем, включая производство противомалярийного препарата артемизинина и снижение потребления биотоплива. Кислинг опубликовал более 300 статей в рецензируемых журналах и имеет более 30 выданных патентов.

Артемизинин

Малярия - глобальная проблема здравоохранения, которая угрожает 300-500 миллионам человек и убивает более миллиона человек в год. Препараты на основе хлорохина, которые широко использовались в прошлом, потеряли свою эффективность, потому что паразит плазмодиум, вызывающий малярию, стал устойчив к ним. Артемизинин, эндопероксид сесквитерпенового лактона, извлеченный из Artemisia annua L, очень эффективен против Plasmodium spp. устойчивы к другим противомалярийным препаратам. Однако существует несколько проблем с современными методами производства артемизинина. Во-первых, комбинированная терапия артемизинином (ACT) слишком дорога для людей в развивающихся странах. Во-вторых, артемизинин извлекается из A. annua, а его урожайность и консистенция зависят от климата и процесса добычи. Хотя существует метод химического синтеза артемизинина, он слишком низкоэффективен и, следовательно, слишком дорог для использования в производстве недорогих лекарств. В-третьих, хотя Всемирная организация здравоохранения рекомендовала, чтобы артемизинин был составлен с другими активными фармацевтическими ингредиентами в ACT, многие производители по-прежнему производят монотерапии артемизинина, которые увеличивают вероятность того, что Plasmodium spp. у них может развиться резистентность к артемизинину. Лаборатория Кеслинг в Калифорнийском университете в Беркли разработала как Escherichia coli, так и Saccharomyces cerevisiae для получения артемизиновой кислоты, предшественника артемизинина, который может быть получен с использованием установленной, простой, недорогой химии для образования артемизинина или любого производного артемизинина, используемого в настоящее время для лечения малярии. Микроорганизмы были спроектированы с помощью десяти ферментов биосинтетического пути с использованием генов Artemisia annua, Saccharomyces cerevisiae и Escherichia coli (всего двенадцать генов), чтобы превратить простой и возобновляемый сахар, такой как глюкоза, в сложную химическую структуру противомалярийного препарата артемизинин. Инженерный микроорганизм способен выделять конечный продукт из клетки, тем самым очищая ее от всех других внутриклеточных химических веществ и снижая затраты на очистку и, следовательно, стоимость конечного лекарственного средства. Учитывая наличие известной, относительно высокопроизводительной химии для преобразования артемизиновой кислоты в артемизинин или любой другой производный артемизинина, микробиально произведенная артемизиновая кислота является жизнеспособным, возобновляемым и масштабируемым источником этого мощного семейства противомалярийных препаратов. Критическим элементом работы Кейслинга была разработка генетических инструментов для помощи в манипулировании микробным метаболизмом, особенно для продуктов низкой стоимости, требующих высокой урожайности сахара. Его лаборатория разработала плазмиды с одной копией для экспрессии сложных метаболических путей, системы промоторов, которые позволяют регулировать контроль транскрипции последовательно во всех клетках культуры, технологии стабилизации мРНК для регулирования стабильности сегментов мРНК и подход к инженерии белков для присоединения нескольких ферментов метаболического пути к синтетическому протеиновому каркасу для увеличения потока путей. Эти и другие инструменты экспрессии генов теперь позволяют точно контролировать экспрессию генов, кодирующих новые метаболические пути, чтобы максимизировать химическое производство, минимизировать потери побочных продуктов и минимизировать накопление токсичных промежуточных веществ, которые могут отравить микроорганизм-хозяина, все из которых важны для экономического производства этого важного лекарства. Еще одним важным аспектом работы Кейслинга было открытие химии и ферментов в Artemisia annua, ответственных за синтез артемизинина. Эти ферменты включали цитохром P450, который окисляет аморфадиен в артемисиновую кислоту, и редоксовые партнеры, которые передают редуцирующие эквиваленты от фермента кофакторам. Открытие этих ферментов и их функциональная экспрессия как в дрожжах, так и в E. coli, наряду с другими девятью ферментами в метаболическом пути, позволило этим двум микроорганизмам производить артемизиновую кислоту. S. cerevisiae была выбрана для крупномасштабного производства и была дополнительно модифицирована для улучшения производства артемисиновой кислоты. Процесс производства микробов Кислинга имеет р�...

Биотопливо

Возобновляемые виды топлива необходимы для всех видов транспорта, но большинство микробиологических видов топлива может использоваться только в виде небольшой доли бензина в обычных двигателях с искровым зажиганием. В лаборатории Кеслинг разработаны микроорганизмы, способные производить углеводороды с такими же свойствами, как у топлива, получаемого из нефти. Эти виды топлива синтезируются из растительных сахаров, таких как целлюлоза, которая имеет небольшую экономическую ценность. Следовательно, микробы могут минимизировать углеродный след, минимизируя расходы энергии на получение топлива, например, бурение на берегу и гидравлическое разрыв. Кислинг и его коллеги продемонстрировали, что Escherichia coli и Saccharomyces cerevisiae могут быть спроектированы для производства биотоплива на основе жирных кислот, этиловых эфиров жирных кислот, алкенов и метилкетонов. Поскольку линейные углеводороды являются ключевыми компонентами дизельного топлива, эти биологически произведенные виды топлива являются отличными заменителями дизельного топлива. Однако топливо, содержащее только длинные линейные углеводородные цепи, будет замерзать в холодных условиях. Для разработки топлива, подходящего для холодных применений, лаборатория Кейслинга разработала E. coli и S. cerevisiae для производства разветвленных и циклических углеводородов с использованием биосинтетического пути изопреноидов: изопентанола, замещающего бензин; пинена, заменяющего реактивное топливо; и бисаболена, заменяющего дизельное топливо. Поскольку изопреноиды добавляют метиловую боковую цепь каждые четыре углерода в костном мозге, топливо, полученное из изопреноидов, имеет очень низкую температуру замерзания и облачность, что делает его подходящим для дизельных двигателей и реактивного топлива в холодную погоду. Одной из самых больших проблем в масштабировании микробиологических ферментаций является стабильность микробиологического штамма: спроектированный микроорганизм будет пытаться мутировать или сбросить метаболический путь, отчасти потому, что промежуточные вещества в метаболическом пути накапливаются и токсичны для клеток. Для балансирования потока в пути и снижения затрат на производство желаемого биотоплива лаборатория Кейслинга разработала динамические регуляторы для определения уровней промежуточных веществ в пути и регулирования его активности. Эти регуляторы стабилизировали путь и ячейку и улучшили урожайность биотоплива, что позволило выращивать инжинированные клетки в крупномасштабных цистернах для ферментации для производства топлива. Многие из лучших видов топлива и химических веществ токсичны для организма производителя. Один из способов ограничить токсичность топлива - активно накачивать топливо из ячейки. Чтобы определить насосы, идеально подходящие для конкретного топлива, Кислинг и его коллеги провели биопроспектирование микроорганизмов окружающей среды для многих различных трехкомпонентных транспортеров и выбрали насосы, наиболее эффективные для конкретного топлива. Эти транспортеры позволили бактериям E. coli расти в присутствии топлива и, как следствие, производить больше целевого топлива, чем было бы возможно без транспортера. Исходные материалы (обычно сахара) являются наиболее значимым фактором в производственных затратах биотоплива. Целюлозу, потенциально дешевый исходный материал, необходимо деполимеризовать в сахара, добавив дорогой коктейль ферментов. Один из способов снизить эти затраты - создать микробы, производящие топливо, чтобы они также производили ферменты для деполимеризации целлюлозы и гемицеллюлозы. Недавно в лаборатории Кизлинг было продемонстрировано, что можно создать микроорганизм, который синтезирует и выделяет ферменты для деполимеризации целлюлозы и гемицеллюлозы в сахара и для производства бензинового заменителя (бутанола), дизельного заменителя (этил-эфира жирных кислот) или реактивного заменителя (пинена). Как технологическая платформа, производство биотоплива сталкивается с огромными экономическими препятствиями, многие из которых зависят от рыночных цен на сырую нефть и другие традиционные виды топлива. Тем не менее, метаболическая инженерия - это технология, которая становится все более конкурентоспособной и, как ожидается, будет иметь широкие последствия к 2020 году.

Компании

Кислинг является основателем Amyris (вместе с Винсентом Мартином, Джеком Ньюманом, Нилом Реннингером и Кинкедом Рейлингом), LS9 (сейчас часть REG с Джорджем Черчем и Крисом Соммервилем) и Lygos (с Леонардом Кац, Клемом Фортманом, Джеффри Дитрихом и Эриком Стином).

Личная жизнь

Кислинг родом из Гарварда, Небраска, и открыто является геем.