З молекулярною дієтою до максимальних показників
Дослідники з кластеру біокаталізу 2021 обробляють бактерії для біотехнологічного виробництва. Для цього вони призначають мікроорганізмам генетичну дієту для схуднення.
Обрізання бактерій для використання у біотехнологічному виробництві - складне завдання. Іноді мікроби виробляють потрібний фермент, а іноді ні. Причина такої часто впертої поведінки часто залишається прихованою від дослідника. У спільному проекті P27 кластеру «Біокаталіз 2021», підтриманому Федеральним міністерством освіти і досліджень (BMBF), дослідники хочуть оптимізувати виробничу поведінку дуже економічно цікавої бактерії: це Bacillus subtilis, сінна паличка. Метою є підготовка бактерій до виробництва білків та ферментів, які цінуються як у харчовій, так і у фармацевтичній промисловості.
Дослідники кластеру Biocatalysis 2021, однієї з чотирьох мереж ініціативи фінансування BMBF BioIndustrie 2021, займаються проектами промислової біотехнології. Сюди також входить проект з номером P27 з назвою: «Нові експресійні системи Bacillus». BMBF фінансує проект загальним обсягом 760 000 євро протягом трьох років.
Молекулярно-біологічне приручення сінної бактерії
Основною перешкодою у виробництві ферментів та білків все ще залишається забезпечення відповідних експресійних систем, таких як бактерії або дріжджі. Тільки найкращі виробничі штами здатні без помилок виробляти амінокислотні ланцюги, складати їх у правильну тривимірну структуру та виробляти бажаний білок у великих масштабах.
«Наш консорціум хотів би перетворити добре охарактеризовану бактерію дикого типу Bacillus subtilis 6051a у сучасний виробничий штам. Для цього ми хочемо викинути непотрібний генетичний баласт бактерії за борт - це лише заважає бактерії ефективно виконувати свою роботу », - пояснює Лутц Поппер, координатор проекту P27 та керівник досліджень та розробок у SternEnzym GmbH & Co. KG. Хороші виробничі штами сінних бактерій уже існують, але вони належать великим компаніям та корпораціям. А вільно доступні лабораторні штами мають той недолік, що вони не придатні для великого виробництва. Це має змінитися зараз - завдяки роботі консорціуму P27: Університет Ернста Моріца Арндта з Грайфсвальда відповідає за молекулярно-біологічну частину. Міжнародна компанія Miltenyi Biotech GmbH від Teterow забезпечує експресійні системи та піклується про технологію бродіння. Третім у групі є Stern-Enzym GmbH. Їхні вчені перевіряють вироблені ферменти на функціональність у секторі харчових продуктів.
Перешкоди та успіхи наукової роботи
Двоє дослідників з команди Томаса Шведа, професора фармацевтичної біотехнології з університету Грайфсвальда, відповідають за генетичну оптимізацію. Вони видалили всі непотрібні генетичні послідовності з сінної палички і сформували свого роду мінімальну бактерію, яка повинна робити лише одне: синтезувати необхідні ферменти для промислового використання. Цей мікроорганізм вже не може навіть рухатися. Він відвик від цього, це коштує занадто багато непотрібної енергії і не є необхідним для виробництва білків. "Звичайно, видалити генетичний матеріал було не так просто, як це звучить", - згадує координатор. «Але після кількох невдач ми нарешті змогли довести доцільність нашої концепції». Оптимізована конструкція виробничого штаму вже змогла успішно виробляти різні білки, такі як ксиланаза та амілаза. Консорціум поставив перед собою мету збільшити виробництво білка. "На даний момент ми працюємо в менших ферментерах до десяти літрів, але виробництво у більших масштабах повинно відбуватися тут до кінця року", - каже 52-річний технолог з харчових продуктів Поппер.
Вченим є лише що погризти, виробляючи фермент, який називається сульфгідрил оксидаза, з пивних дріжджів. "Дріжджі нескінченно ліниві, коли справа доходить до виробництва цього ферменту", - виявляє Поппер. Оскільки відомо, що це дуже безпечний виробничий організм через відсутність небажаних продуктів метаболізму, сінна паличка P27 здавалася ідеально придатною, але, на жаль, вона також трохи вперта в цій системі: білок вироблявся, але він не активний. В даний час вивчаються можливі причини, але Лутц Поппер впевнений. Команда P27 також отримає цю проблему під контролем.
Довгий і кам’янистий шлях до економічного використання
Партнери проекту P27 досягли успіху в створенні мікроба, який є стабільним, рівномірно перетворює сировину у бажану речовину, а також дуже економно використовує свої запаси енергії: комерційне використання деяких синтезованих білків здійснюється партнерами проекту Stern-Enzym GmbH та Miltenyi спрямована на патентування. Також планується використовувати цей оптимізований штам для виробництва інших ферментів усіх видів.