Un nuovo metodo sviluppato da un gruppo di ricercatori del Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB) dell'Università dell'Illinois potrebbe cambiare il modo in cui viene eseguita l'ingegneria metabolica.

Ricercatori del tema di ricerca Biosystems Design dell'IGB, tra cui Steven L. Miller, cattedra di ingegneria chimica e biomolecolare Huimin Zhao, ha recentemente pubblicato un articolo in Comunicazioni sulla natura delineando il loro nuovo metodo, che potrebbe rendere più efficiente il processo di ingegneria metabolica.

L'ingegneria metabolica implica l'ingegneria dei microrganismi per produrre prodotti a valore aggiunto come biocarburanti e prodotti chimici. Ciò si ottiene modificando o eliminando l'espressione dei geni per modificare il genoma del microrganismo. In questo processo, diversi bersagli nel genoma vengono modificati per raggiungere obiettivi specifici.

"Possiamo facilmente trovare diversi obiettivi di ingegneria metabolica per migliorare il fenotipo desiderato, " ha detto Jiazhang Lian, un ricercatore associato presso l'IGB che è coautore del documento. "Come combinare queste benefiche modificazioni genetiche è una delle maggiori sfide nell'ingegneria metabolica".

Tradizionalmente, i ricercatori testano questi obiettivi individualmente in una serie di passaggi che richiedono tempo. Questi passaggi limitano la produttività e la resa del prodotto finale, due componenti cruciali nel processo di ingegneria metabolica.

I ricercatori hanno deciso di creare un metodo che combina tutti questi passaggi e li esegue contemporaneamente, rendendo il processo più veloce e più facile.

Hanno basato questo metodo sul sistema CRISPR, un metodo di manipolazione genetica che utilizza un insieme di sequenze di DNA per modificare i geni all'interno di una cellula.

Questo sistema utilizza tre manipolazioni genetiche frequentemente utilizzate nell'ingegneria metabolica:attivazione trascrizionale, interferenza trascrizionale, e delezione genica.

Usando queste manipolazioni simultaneamente, gli scienziati possono esplorare diverse combinazioni di manipolazioni e scoprire quale combinazione è la migliore.

"Ora possiamo lavorare con 20 obiettivi, " Zhao ha detto. "Possiamo implementare tutte queste (manipolazioni) per ciascun obiettivo in modo combinatorio per scoprire quale combinazione effettivamente ci darà una maggiore produttività o resa del prodotto finale".

I ricercatori hanno testato il metodo in una specie di lievito utilizzato nella vinificazione, cottura al forno, e la produzione di biocarburanti. Hanno dimostrato che l'utilizzo di questo metodo potrebbe migliorare la produzione di un prodotto specifico.

Il loro sistema, chiamato CRISPR-AID, consentirà ai ricercatori di esplorare facilmente tutte le possibili combinazioni di obiettivi. Ma la chiave è trovare la combinazione ottimale.

"Se confrontiamo l'ingegneria metabolica con una squadra di basket, non possiamo costruire una squadra forte semplicemente mettendo insieme i migliori giocatori, " disse Lian. "Invece, dovremmo cercare di trovare chi può collaborare e lavorare in sinergia".

Il loro nuovo sistema apre migliaia, persino milioni, di possibilità, che presenta un'altra sfida logistica.

Hanno in programma di trovare le migliori combinazioni sviluppando un metodo di screening ad alto rendimento o utilizzando un sistema robotico come iBioFAB, un sistema situato nell'IGB che produce automaticamente biosistemi sintetici.

"Credo che la combinazione di CRISPR-AID con lo screening ad alto rendimento e iBioFAB farà avanzare significativamente il campo dell'ingegneria metabolica nel prossimo futuro, " ha detto Lian.

Zhao spera di testare il loro metodo su altri organismi, utilizzando gli stessi principi ingegneristici ma modificando il protocollo per diversi organismi.

Infine, sperano di estendersi alla scala del genoma, per essere in grado di testare tutti i geni in un organismo contemporaneamente, il che rappresenterebbe un notevole passo avanti nel campo dell'ingegneria metabolica.

"Se possiamo farlo, possiamo renderlo veramente modulare e standardizzare anche la procedura, " Ha detto Zhao. "Allora aumentiamo davvero il rendimento e la velocità dell'ingegneria metabolica".

Diversi sforzi di ricerca mirano a ingegnerizzare i microrganismi per la produzione di biocarburanti e prodotti chimici, quindi tutti gli strumenti che possono accelerare il processo sono significativi. Zhao crede che questo sia vero per il loro metodo.

"Non è solo un miglioramento incrementale, " ha detto. "È un nuovo modo di fare ingegneria metabolica".