En ny tænd-sluk-kontakt gør det muligt for forskere at ”tvinge” bakterier til at producere større mængder af efterspurgte bio-kemikalier og proteiner. Tricket er at begrænse cellevæksten og samtidigt booste cellernes evne til at producere kemikalierne.
Hvordan får du et æbletræ til at producere flere æbler? Fx ved at ændre træets arvemasse, så træet bruger sine næringsstoffer til at producere flere æbler, i stedet for at bruge krudtet på at få flere grene eller en tykkere stamme.
Ved at benytte den tankegang fik ph.d.-studerende Songyuan Li modificerede bakterier – såkaldte cellefabrikker – til at producere større mængder af specifikke bio-kemikalier, dvs. kemikalier, der produceres på en bæredygtig måde af celler.
"Vi har udviklet en tænd-sluk-kontakt, som gør det muligt at omdirigere cellens energiforbrug fra basis-vækst til at producere mere af et ønsket kemikalie eller protein," siger Songyuan Li, der har færdiggjort sin ph.d. på The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, DTU Biosustain, på Danmarks Tekniske Universitet.
Forskningen er nu blevet offentliggjort i Metabolic Engineering og gruppen har indsendt en patentansøgning om systemet.
Forskerne flytter stofskiftebalancen
I dag bruger flere biotek-virksomheder allerede bakterielle cellefabrikker til at producere industrielle proteiner og kemikalier, der for eksempel anvendes i plast, kosmetik, fødevareingredienser, bio-brændstoffer og som forstadier til lægemidler. Men ofte producerer cellefabrikkerne meget små mængder kemikalier. Det er et problem for branchen, siger medforfatter og professor Alex Toftgaard Nielsen fra DTU Biosustain:
"Hvis cellerne bruger det meste af foderet til deres basale stofstiftefunktioner, vil der ofte være meget lidt tilbage til fremstilling af kemikalier eller proteiner. Derfor har vi udviklet dette system, som forskyder balancen, så næringen anvendes effektivt til at fremstille produktet, i stedet for at ende som kommercielt uinteressant biomasse," siger han. Tænd-sluk-kontakten har også en anden fordel:
"Under industrielle forhold bliver tætheden af celler hurtigt meget høj i de store fermenteringstanke. Tætheden gør det meget dyrt og svært at lufte den tykke suppe af mikroorganismer tilstrækkeligt. Men med denne kontakt bremses cellevæksten også, så grøden ikke bliver så tyk og derved er lettere at ilte," siger Alex Toftgaard Nielsen.
Skru ned for tilgængeligheden af sulfat
Gruppen testede systemet på E. coli-celler, som blev designet til at producere større mængder af enten mevalonat eller tyrosin. Tyrosin er en aminosyre, som kan anvendes til at producere anti-Parkinson-lægemidlet kaldet L-DOPA eller til fremstilling af en lang række antioxidanter.
"Vi har udviklet et system, som forskyder balancen, så næringen anvendes effektivt til at fremstille produktet, i stedet for at ende som kommercielt uinteressant biomasse"
Alex Toftgaard Nielsen
Mevalonat kan vendes til terpener og karotenoider, som kan omdannes til for eksempel malaria-medicin, gummi og endda biobrændstoffer.
Forskerne forsøger altså at designe cellerne til at producere disse produkter i store mængder, fordi det kan bruges i de næste skridt i produktionen af værdifulde kemikalier og lægemidler.
I en række eksperimenter dyrkede Songyuan Li E.coli-bakterier, som enten var designet til at fremstille store mængder tyrosin eller mevalonat ved forskellige vækstbetingelser. I hvert af forsøgene havde vækstmediet en særlig sammensætning af næringsstoffer. Forsøgene viste, at når bakterierne havde begrænset adgang til svovlforbindelsen sulfat, producerede de 80% mere mevalonat og 50% mere tyrosin.
Hvis bakterierne omvendt havde begrænset adgang til fx kvælstof, resulterede det i et lavere produktudbytte. Resultaterne tyder på, at mangel på sulfat bremser cellevæksten og øger muligheden for at producere kemikalier, hvorimod mangel på kvælstof får cellen til at bruge sin energi på basale stofskiftefunktioner.
Betinget undertrykkelse af gener
Dernæst forsøgte gruppen at slukke for visse af de involverede gener i cellens replikations-maskineri, der gør den i stand til at dele sig. Slukningen af generne blev gjort ved såkaldte betingede knockdowns ved hjælp af en modificeret version af det genetiske redskab CRISPR. Disse betingede knockdowns tillod forskerne at hæmme cellevæksten på et bestemt tidspunkt i forsøget.
Normalt, når cellers vækst bliver hæmmet, stopper cellefabrikkerne med at lave enzymer og kemikalier. Men i dette forsøg resulterede nogle af knockdowns’ne i en 40 procent stigning af mevalonat-produktionen og en fordobling af proteinproduktionen.
"Hvis en virksomhed producerer proteiner eller kemikalier til fx lægemidler eller vaskepulver vil denne metode også gøre det lettere og billigere at fremstille og oprense produkterne," siger Alex Toftgaard Nielsen.
- Songyuan Li var indskrevet i ph.d.-programmet kaldet BacTory.
- BacTory en en forkortelse for bakterielle cellefabrikker og målet med programmet var at give de unge forskere indsigt i videnskab, industrielle forhold og iværksætteri.
- Novo Nordisk Fonden Center for Biosustainability (DTU Biosustain) stod for ph.d.-uddannelsen, som blev finansieret af EU Marie Curie Program med 30 mio. danske kroner.
- 14 ph.d.er med 9 forskellige nationaliteter gennemgik programmet, og 11 virksomheder i hele Europa var involveret.
- Programmet startede i 2013 og sluttede i sommeren/efteråret 2016.