Een onderzoekssamenwerking heeft een nieuw mechanisme ontdekt waardoor glucose dat werd gevangen door E. coli vervolgens door de bacteriële cel wordt uitgescheiden als glucose-6-fosfaat (G6P). Deze bevinding heeft belangrijke toepassingen voor het verbeteren van methoden om op duurzame wijze bruikbare aromatische verbindingen en grondstoffen voor (onder andere) de geneeskunde, de voedingsmiddelen- en chemische industrie te produceren uit biomassa. De onderzoeksgroep bestond uit universitair hoofddocent Tanaka Tsutomu van de Graduate School of Engineering van de Kobe University, speciaal postdoctoraal onderzoeker Fujiwara Ryosuke en onderzoeker Noda Shuhei et al. van RIKEN Center for Sustainable Resource Science, en professor Umetsu Mitsuo et al. van de Graduate School of Engineering van Tohoku University.

Op basis van het ontdekte mechanisme hebben de onderzoekers met succes een nieuwe techniek ontwikkeld om de productie van de doelverbinding te verhogen door metabolische engineering en celoppervlakte-engineering te combineren.

Het is te hopen dat door deze techniek toe te passen, het mogelijk zal zijn om de hoeveelheid geproduceerde doelverbinding aanzienlijk te verhogen door een kleine hoeveelheid 'metabolische kruiden' toe te voegen aan de kweekbouillon van de microbe.

Deze onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Metabolic Engineering op 5 maart 2022.

Belangrijkste punten

• De onderzoekers ontdekten dat een deel van de glucose gevangen door E. coli werd uitgescheiden als glucose-6-fosfaat (G6P).
• Ze hebben met succes een nieuwe techniek ontwikkeld die de productie van verschillende verbindingen kan verhogen door het uitgescheiden G6P op het oppervlak van de bacteriën te vangen.
• Het is te hopen dat de nieuwe techniek kan worden toegepast op 'metabolische kruiden'. Hierdoor kunnen grote hoeveelheden bruikbare verbindingen worden geproduceerd door eenvoudig een kleine hoeveelheid 'metabolische kruiden' toe te voegen aan de kweekbouillon van de microbe.

Onderzoeksachtergrond

Een groot voordeel van producten die zijn afgeleid van biomassa (goedkope hernieuwbare bronnen die in overvloed in de natuur voorkomen, zoals gras en bomen) is dat ze CO2-neutraal zijn; hun productie en verwijdering verhogen de atmosferische CO₂ . niet niveaus. In bioproductietechnologieën wordt deze biomassa gebruikt als grondstof en worden er microben op toegepast om doelverbindingen te produceren (bijvoorbeeld aromatische verbindingen voor onder meer de chemische, farmaceutische en voedingsindustrie). De ontwikkeling van deze technologieën draagt ​​bij aan de SDG's en is essentieel voor het realiseren van een koolstofarme samenleving.

De onderzoeksgroep van universitair hoofddocent Tanaka heeft biomassa-ontledingsenzymen tentoongesteld op het oppervlak van een verscheidenheid aan microben en heeft technologie voor celoppervlaktetechnologie ontwikkeld om de ruimtelijke resolutie van biomassa te verbeteren. Microben breken de suikers die in plantaardige biomassa worden aangetroffen, zoals cellulose en celloligosacharide, af tot glucose. In hun vorige onderzoek hebben de onderzoekers de microben metabolisch gemanipuleerd, zodat de afgebroken glucose door de microben werd opgevangen en alleen werd gebruikt om de doelverbinding te produceren.

In de loop van dit onderzoek ontdekten ze een nieuw fenomeen dat totaal niets te maken heeft met de afbraak van biomassa. Ze ontdekten dat de productie van de doelverbinding werd verhoogd door expressie van het enzymoppervlak. Gebruikmakend van dit fenomeen toonden ze aan dat het mogelijk was om de snelheid en hoeveelheid van biomassa-afgeleide verbindingsproductie te verhogen, wat bijdroeg aan het koolstofvrij maken van de productie van materie. De groep deed vervolgens verder onderzoek met als doel het mechanisme achter dit fenomeen te begrijpen en toe te passen op metabole kruiden.

Onderzoeksmethodologie

Deze onderzoeksgroep ontdekte een geheel nieuw fenomeen waarbij een deel van de glucose die wordt opgevangen door het modelmicro-organisme E. coli uit de bacteriecel wordt uitgestoten als glucose-6-fosfaat (G6P). Normaal gesproken zetten microben continu glucose (hun voedingsbron) om in G6P en vangen het op in hun cellen. Tot nu toe dacht men dat G6P niet uit de bacteriecellen werd verwijderd nadat ze waren gevangen. Deze studie onthulde een nieuw mechanisme waarmee E. coli G6P uitwerpt, in tegenspraak met de algemeen aanvaarde theorie. Het biomassa-afbraak-enzym wordt tot expressie gebracht op het celoppervlak van de microbe en werpt de G6P uit. De onderzoekers ontdekten dat het tijdelijk opsluiten van deze G6P het metabolisme in de E. coli-cellen stimuleerde, waardoor de productie van de doelverbinding toenam.

Vervolgens gebruikte de onderzoeksgroep dit mechanisme om verschillende eiwitten te lokaliseren die G6P op het bacteriële celoppervlak kunnen vangen. Op deze manier ontwikkelden ze een nieuwe techniek om de productie van doelverbindingen te verhogen. Ze demonstreerden met succes de nieuwe techniek door verhoogde hoeveelheden van het aromatische aminozuur fenylalanine te produceren.

Bovendien verhoogden ze ook de productie van het aromatische aminozuur tyrosine en muconzuur (een nuttig dicarbonzuur) door gebruik te maken van de ontwikkelde techniek. Vooral muconzuur is een zeer belangrijke en nuttige industriële chemische stof. Het kan gemakkelijk worden omgezet in adipinezuur, een ingrediënt in de nylonproductie en wordt ook gebruikt als grondstof bij de productie van verschillende medicijnen en chemische producten. Deze resultaten tonen aan dat deze nieuwe techniek zeer veelzijdig is en kan worden toegepast bij de productie van verschillende chemische verbindingen.

Verdere ontwikkelingen

De onderzoeksgroep heeft bevestigd dat het, als alternatief voor het tot expressie brengen van eiwitten op het oppervlak van bacteriële cellen, mogelijk is om hetzelfde fenomeen te laten optreden door een speciaal molecuul aan de kweekbouillon toe te voegen. De onderzoekers noemen kleine moleculen die deze eigenschap bezitten 'metabolische kruiden' en werken momenteel aan de ontwikkeling ervan. Ze hopen de productie van doelverbindingen te verhogen door een kleine hoeveelheid metabolische kruiden toe te voegen aan de kweekbouillon van de microbe, zonder de noodzaak om de microbe genetisch te manipuleren.

Bovendien verbetert deze techniek specifieke metabole routes en verhoogt het de toevoer van voorlopers van verschillende nuttige stoffen). Het kan ook worden toegepast, zelfs in gevallen waarin het eindproduct niet kan worden bepaald. Verder hebben de resultaten van dit onderzoek aangetoond dat een matige mate van selectiviteit en affiniteit met G6P voldoende is.

De metabolische kruidenbenadering verschilt van de bestaande benaderingen voor het ontdekken van chemicaliën met een hoge selectiviteit en affiniteit. Daarom is het waarschijnlijk dat er nieuwe kandidaten zijn voor de metabolische kruidenbenadering onder de 'afgekeurde chemicaliën' die zijn gecatalogiseerd in de chemische bibliotheken die door verschillende industrieën worden bijgehouden. Gehoopt wordt dat dit zal leiden tot nieuwe samenwerkingen tussen de academische wereld en de industrie, zelfs met bedrijven die niet eerder betrokken zijn geweest bij bioproductie. + Verder verkennen

Nieuwe strategie voor metabolische engineering verbetert de bioproductie van polymere grondstoffen