Forskere har fået E. coli-celler til at producere store mængder serin, der fx bruges i vaskemiddel og sondemad – og som har et enormt potentiale som byggeklods til andre vigtige kemikalier. Ved hjælp af evolutions-teknikken ALE står forskerne nu med en meget robust og forretningsmæssigt interessant cellelinje.
Hvis du havde et firma, der fremstillede dyre kemikalier til opvaskemiddel eller maling, ville du nok gerne kunne producere ingredienserne i store mængder, bæredygtigt og billigt. Det er hvad forskere fra The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability – DTU Biosustain – på DTU nu kan gøre. Forskerne har udviklet E. coli-celler, der kan producere store mængder af stoffet serin.
”Denne opdagelse er ret unik og beviser, at vi faktisk kan tilpasse celler til at kunne tolerere store mængder serin, hvilket man i lang tid ikke troede var muligt. For at udvikle de her celler har vi brugt højt specialiserede robotter, som kun findes på vores center i Danmark og i USA,” siger professor Alex Toftgaard Nielsen fra DTU Biosustain.
"Denne opdagelse er ret unik og beviser, at vi faktisk kan tilpasse celler til at kunne tolerere store mængder serin, hvilket man i lang tid ikke troede var muligt"
professor Alex Toftgaard Nielsen fra DTU Biosustain
Serin er en såkaldt aminosyre, som er vigtig for mennesker, fordi den indgår som byggesten i proteinerne i vores krop. Kosmetikbranchen og medicinalbranchen er meget interesserede i det værdifulde stof, der for eksempel fungerer som fugtgiver i cremer og makeup og indgår i sondemad. Yderligere kan serin bruges som en byggesten til at lave andre kemikalier fra, som for eksempel kan bruges i plastikindustrien, i opvaskemidler, i kosttilskud og en lang række andre produkter. Faktisk har serin været nævnt som et af de 30 mest lovende biologiske stoffer til at erstatte kemikalier fra olieindustrien, hvis produktionen kan gøres billig nok.
Undersøgelsen er netop offentliggjort i tidsskriftet Metabolic Engineering.
Robotter er altafgørende
Men serin er giftigt i store mængder for almindelige E. coli-celler, som hurtigt ”giver op”, hvis de skal producere store mængder af stoffet.
Første trin var derfor at fremstille nogle E. coli-celler, der kunne overleve høje koncentrationer af serin. Til det formål brugte forskerne såkaldt automatiseret "Adaptive Laboratory Evolution' (ALE). Metoden var at udsætte cellerne for en lille mængde serin, og når cellerne havde vænnet sig til at vokse ved disse forhold, overførte forskerne bakterierne til en lidt højere koncentration. Eksperimentet blev gentaget flere gange med de celler, der var bedst til at tåle serin.
Sådan et eksperiment kræver højt specialiserede robotter, forklarer førsteforfatter bag undersøgelsen Hemanshu Mundhada fra DTU Biosustain:
”Cellernes vækst skal overvåges 24 timer i døgnet, og de skal overføres til nyt medie på et bestemt tidspunkt i væksten. Desuden har vi så mange prøver, at det ville være vanskeligt rent tidsmæssigt at overvåge alle cellerne manuelt. Derfor er det afgørende, at vi har ALE-robotter til rådighed.”
De tolerante E. coli-celler blev efterfølgende designet rent genetisk til at producere serin, og på den måde kunne de fremstille 250-300 gram serin for hvert kg tilsat sukker, hvilket er det højeste udbytte nogensinde.
Serin skal ud til forbrugeren
I dag kan serin allerede fremstilles ved at få celler til at omdanne glycin og metanol. Men cellerne skal først dyrkes i store mængder, hvorefter glycinen – der laves fra olie – tilsættes. Glycin er relativt dyrt, og derfor kigger mange efter billigere og mere bæredygtige produktionsmetoder.
”Vi har vist, at vores E. coli-celler kan bruge almindeligt sukker og endda restprodukter fra sukkerproduktion (melasse, red.) i lavere koncentrationer. Og vi har set lovende resultater med billigere sukkerstoffer, hvilket gør det endnu mere attraktivt at producere serin i E. coli,” siger Hemanshu Mundhada.
Forskergruppen arbejder nu på at etablere et firma, som skal stå for at producere serin i cellerne i større skala.
”Målet er at få cellelinjen ud over stepperne, så den kan gøre gavn i samfundet. Og den bedste måde at gøre det på, er ved at få en virksomhed til at stå for den videre udvikling og kommercialisering,” siger Alex Toftgaard Nielsen.
- ALE står for Adaptive Laboratory Evolution og refererer til den hastige evolution, du kan tvinge cellerne igennem i laboratoriet.
- Fordelen ved ALE er, at du ikke behøver at vide, hvilke gener, du skal slukke eller tænde for at få det ønskede resultat. Det sørger udvælgelsen og evolutionen selv for.
- ALE-eksperimenter hjælper forskerne til at teste milliarder af celler og drager fordel af den naturlige udvælgelse, der sker, når bakterierne stresses af fx giftige stoffer.
- I ALE-robotter overvåges temperatur, vækst, dødelighed, næringsindholdet i væsken og cellernes tæthed konstant i små rør. Det vil praktisk talt være umuligt for en forsker at nå at udføre alle de tests selv.