Een nieuwe methode die is ontwikkeld door een groep onderzoekers van het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB) aan de Universiteit van Illinois, zou de manier waarop metabolic engineering wordt gedaan, kunnen veranderen.

Onderzoekers van het onderzoeksthema Biosystems Design van de IGB, waaronder Steven L. Miller, voorzitter van chemische en biomoleculaire engineering Huimin Zhao, publiceerde onlangs een paper in Natuurcommunicatie hun nieuwe methode uiteenzetten, wat het metabolische engineeringproces efficiënter zou kunnen maken.

Metabolic engineering omvat het engineeren van micro-organismen om producten met toegevoegde waarde te produceren, zoals biobrandstoffen en chemicaliën. Dit wordt bereikt door de expressie van genen te wijzigen of te verwijderen om het genoom van het micro-organisme te wijzigen. In dit proces, verschillende doelen in het genoom worden aangepast om specifieke doelen te bereiken.

"We kunnen gemakkelijk verschillende metabole technische doelen vinden om het gewenste fenotype te verbeteren, " zei Jiazhang Lian, een gastonderzoeker bij de IGB die co-auteur is van het artikel. "Het combineren van deze gunstige genetische modificaties is een van de grootste uitdagingen in metabole engineering."

traditioneel, onderzoekers testen deze doelen individueel in een reeks tijdrovende stappen. Deze stappen beperken de productiviteit en de opbrengst van het eindproduct - twee cruciale componenten in het metabolische engineeringproces.

De onderzoekers besloten een methode te ontwikkelen die al deze stappen combineert en tegelijkertijd uitvoert, waardoor het proces sneller en eenvoudiger wordt.

Zij baseerden deze methode op het CRISPR-systeem, een methode van genetische manipulatie die een reeks DNA-sequenties gebruikt om genen in een cel te wijzigen.

Dit systeem maakt gebruik van drie genetische manipulaties die vaak worden gebruikt in metabolic engineering:transcriptionele activatie, transcriptionele interferentie, en gendeletie.

Door deze manipulaties gelijktijdig te gebruiken, wetenschappers kunnen verschillende combinaties van manipulaties onderzoeken en ontdekken welke combinatie het beste is.

"We kunnen nu werken met 20 doelen, "Zei Zhao. "We kunnen al deze (manipulaties) voor elk doel op een combinatorische manier implementeren om erachter te komen welke combinatie ons daadwerkelijk een hogere productiviteit of opbrengst van het eindproduct zal geven."

De onderzoekers testten de methode in een soort gist die wordt gebruikt bij het maken van wijn, bakken, en de productie van biobrandstoffen. Ze toonden aan dat het gebruik van deze methode de productie van een specifiek product kan verbeteren.

hun systeem, genaamd CRISPR-AID, stelt onderzoekers in staat om gemakkelijk alle mogelijke doelcombinaties te verkennen. Maar de sleutel is om de optimale combinatie te vinden.

"Als we metabolic engineering vergelijken met een basketbalteam, we kunnen geen sterk team bouwen door simpelweg de beste spelers bij elkaar te zetten, ' zei Lian. 'In plaats daarvan, we moeten proberen mensen te vinden die kunnen samenwerken en synergetisch kunnen werken."

Hun nieuwe systeem opent duizenden – zelfs miljoenen – mogelijkheden, wat een andere logistieke uitdaging vormt.

Ze zijn van plan de beste combinaties te vinden door een screeningmethode met hoge doorvoer te ontwikkelen of een robotsysteem zoals de iBioFAB te gebruiken, een systeem in de IGB dat automatisch synthetische biosystemen produceert.

"Ik geloof dat de combinatie van CRISPR-AID met high-throughput screening en iBioFAB het metabolic engineering-veld in de nabije toekomst aanzienlijk zal bevorderen, ' zei Liaan.

Zhao hoopt hun methode te testen op andere organismen, dezelfde technische principes gebruiken, maar het protocol voor verschillende organismen wijzigen.

Eventueel, ze hopen uit te breiden naar de genoomschaal - om alle genen in een organisme tegelijk te kunnen testen - wat een aanzienlijke sprong zou zijn op het gebied van metabolische engineering.

‘Als we dat kunnen, we kunnen het echt modulair maken en ook de procedure standaardiseren, "Zei Zhao. "Dan verhogen we echt de doorvoer en de snelheid van metabolic engineering."

Verschillende onderzoeksinspanningen zijn gericht op het ontwikkelen van micro-organismen voor de productie van biobrandstoffen en chemicaliën, dus alle tools die het proces kunnen versnellen, zijn aanzienlijk. Zhao gelooft dat dit geldt voor hun methode.

"Het is niet alleen een stapsgewijze verbetering, " zei hij. "Het is een nieuwe manier om metabolische engineering te doen."