Bezšūnu bioražošana lētākām, tīrākām ķīmiskām vielām

Biotehnologi ir ģenētiski modificējuši baktērijas un citus mikrobus, lai ražotu biodegvielu un ķīmiskas vielas no atjaunojamiem resursiem. Taču sarežģītos vielmaiņas ceļus šajos dzīvajos organismos var būt grūti kontrolēt, un vēlamie produkti var būt indīgi mikrobiem. Ko darīt, ja jūs varētu pilnībā likvidēt dzīvo šūnu?

Alus darīšanas bioķīmija: Greenlight Biosciences pētnieki Kamils ​​Gedeons (sēž) un Stefanija Demarino (stāv) uzrauga baktēriju kultūru, kas izstrādāta, lai ražotu fermentus bezšūnu ķīmiskai sintēzei.

Bostonas apgabala starta uzņēmums Greenlight Biosciences izstrādā mikrobus, lai izveidotu dažādus enzīmus, kas var ražot ķīmiskas vielas, un pēc tam izjauc kļūdas, lai savāktu šos fermentus. Zinātniekiem nav jācenšas izolēt fermentus no cita šūnu materiāla; tā vietā tie pievieno ķīmiskas vielas, lai kavētu nevēlamas bioķīmiskās reakcijas. Sajaucot vircas, kuru pamatā ir dažādi mikrobi, ar cukuriem un citām oglekļa bāzes izejvielām, uzņēmums var radīt sarežģītas reakcijas, lai ražotu dažādas ķīmiskas vielas. Greenlight saka, ka tā tehnoloģija ļauj uzņēmumam izgatavot lētākas esošo ķīmisko vielu versijas, un tas jau ir ražojis pārtikas piedevas, medikamentus, kā arī pesticīdus un herbicīdus.

Lielākā motivācija uzņēmuma dibināšanā bija izdomāt, kā šādus savienojumus ražot videi draudzīgākā veidā, saka izpilddirektors Andrejs Zarurs . Viņš saka, ka Greenlight produktiem ir arī jābūt lētākiem nekā tiem, kas ražoti, izmantojot ķīmisko vai šūnu ražošanu, pretējā gadījumā nozares nelabprāt tos izmantos.

Greenlight stratēģija ir atkāpe no klasiskajiem fermentācijas procesiem, kas ir atkarīgi no dzīvo mikrobu tvertnēm. Tas atšķiras arī no atšķirīgas pieejas gēnu inženierijai, ko bieži sauc par sintētisko bioloģiju, kas koriģē mikrobu ceļus, lai tie būtu optimizēti, lai iegūtu vēlamos savienojumus. Vairāki uzņēmumi izstrādā baktērijas un raugu, lai ražotu speciālas ķīmiskas vielas, taču lielākoties šīs grupas uztur kukaiņus dzīvus. Piemēram, uzņēmums Amyris var ražot biodegvielu, zāles un ķimikālijas, ko izmanto kosmētikā un smērvielās, izstrādājot mikrobus ar jauniem enzīmu komplektiem, kas var modificēt cukurus un citus izejmateriālus (sk. Amyris paziņo par bioķīmisko vielu un mikrobu komerciālo ražošanu, var masveidā ražot malārijas zāles ). Metabolix ir izstrādājis baktērijas, lai ražotu bioloģiski noārdāmu plastmasu (skatiet A Bioplastic Goes Commercial).

Šīs stratēģijas problēma ir tāda, ka tad, kad baktērijas un citi mikrobi tiek pārvērsti dzīvās ķīmiskās rūpnīcās, tiem joprojām ir jāiegulda daži resursi audzēšanai, nevis ķīmiskai ražošanai, saka: Marks Styčinskis , Džordžijas Tehnoloģiju institūta vielmaiņas inženieris un sistēmu biologs. Turklāt pat šķietami vienkārši baktērijās vielmaiņa ir sarežģīta. Viņš saka, ka vielmaiņas ceļiem ir sarežģīts regulējums gan tajos, gan starp tiem. Viena vielmaiņas ceļa maiņa, lai uzlabotu ķīmisko ražošanu, var radīt plašas un dažkārt negatīvas sekas pārējai šūnai.

Tādējādi ražošanas ceļa atdalīšana no šūnas vajadzībām varētu būt milzīga priekšrocība, viņš saka. Zaļā gaisma pilnībā neizvairās no mikrobiem. Uzņēmuma saulainajā laboratorijas telpā uz ziemeļiem no Bostonas pētnieki izmanto burbuļojošus bioreaktorus, lai audzētu baktērijas šķidrā kultūrā, saglabājot dažādas sugas un celmus, kas var ražot dažādus fermentus. Kad kukaiņi ir sasnieguši noteiktu blīvumu, pētnieki tos nosūta caur augstspiediena ekstrūderi, lai tos sadalītu gabalos. Pēc tam iegūtajai pelēkajai vircai pievieno zāles, lai izslēgtu lielāko daļu šūnu vielmaiņas enzīmu; derīgie enzīmi netiek ietekmēti, jo tie ir izstrādāti tā, lai tie izturētu zāles.

Tehnoloģiju, kas nodrošina atklāto vielmaiņas ceļu darbību, izstrādāja Džeimss Svarcs , Stenfordas universitātes bioķīmiskais inženieris, kurš atstāja proteīnu inženiera amatu biotehnoloģiju uzņēmumā Genentech, lai izstrādātu bezšūnu metodes farmakoloģisko proteīnu ražošanai (insulīns ir zālēm līdzīga proteīna piemērs, ko var ražot ar biotehnoloģiju). Meklējot lielāku kontroli pār bioloģisko iekārtu, kas ražo olbaltumvielas, Swartz izdomāja, kā nodrošināt šai iekārtai nepieciešamo bioķīmisko vidi pat ārpus tās parastās mājas šūnā. Viņa metodes ne tikai ļāva viņam izgatavot sarežģītākas olbaltumvielas, bet izrādījās, ka tās var izmantot arī bioloģisko iekārtu vadīšanai, lai ražotu mazas molekulas un ķīmiskas vielas. Mēs esam atklājuši, ka, reproducējot ķīmiskos apstākļus, kas rodas šūnā, mēs aktivizējam daudzus vielmaiņas procesus, pat tādus, kurus cilvēki domāja par pārāk sarežģītiem, viņš saka.

Greenlight var novērst un pielāgot ķīmisko vielu metabolisma ražošanu tādos veidos, kas vairāk līdzinās ķīmiskajai inženierijai nekā jebkas cits, kas atrodams tipiskā mikrobu inženierijā. Šūnu nesaturošās suspensijas ir aktīvas 96 stundas, pirms fermenti sāk sadalīties. Tajā brīdī ir jāaudzē jauna mikrobu partija.

Viena no šūnas jaukajām īpašībām ir tā, ka tā atkārtojas, saka Deivids Berijs, Flagship Ventures princips, kurš bija biodegvielas uzņēmumu LS9 un Joule Unlimited līdzdibinātājs. (Berijs ir 2007. gada izlaidums MIT tehnoloģiju apskats Inovators, kas jaunāks par 35 gadiem.) Taču, lai gan sistēma bez šūnām neizmanto šo priekšrocību, ir arī citas priekšrocības, piemēram, izcila elastība. Ir iespēja strādāt ar vairāk ievades datu un apiet situācijas, kad daži ceļi pašlaik nedarbojas šūnas vajadzību dēļ, saka Berijs.

Zarur saka, ka Greenlight pirmais produkts tirgū varētu būt nākamā gada sākumā. Tas būs uztura bagātinātājs ar ieguvumiem veselībai, viņš saka.

Uzņēmums arī ir saņēmis 4,5 miljonu dolāru dotāciju no ARPA-E, lai izstrādātu sistēmu metāna, galvenās dabasgāzes sastāvdaļas, pārvēršanai šķidrā kurināmā. Aģentūra saka, ka šāda tehnoloģija varētu ļaut mobilajiem fermentatoriem piekļūt attāliem dabasgāzes avotiem, lai lēti pārveidotu dabasgāzi šķidrā kurināmā.

paslēpties