I ricercatori in Giappone hanno sviluppato un sistema di biologia sintetica integrato per costruire nuove vie metaboliche ed enzimi all'interno dei microbi. Incorporando un "Design, Costruire, Test, Apprendi" (DBTL) flusso di lavoro, la produzione di materie prime farmaceutiche potrebbe essere sistematicamente ottimizzata. Questa applicazione supporta il concetto del flusso di lavoro DBTL come metodo sostenibile per la produzione di materiali complessi e di valore. I risultati sono stati pubblicati il ​​1 maggio sulla rivista ad accesso aperto Comunicazioni sulla natura .

Questo studio fa parte di un progetto della New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), ed è stato condotto da un gruppo di ricerca dell'Università di Kobe guidato dall'assistente professore Christopher Vavricka, Visitando il Professor Michihiro Araki, Il professor Tomohisa Hasunuma e il professor Akihiko Kondo. Stretta collaborazione con un gruppo di ricerca guidato dal Professore Associato Hiromichi Minami (Istituto di Ricerca per le Biorisorse e la Biotecnologia, Anche Ishikawa Prefectural University) è stato al centro di questo progetto.

Il team di ricerca collaborativa sta partecipando a un progetto di ricerca e sviluppo NEDO sotto il tema "Sviluppo di tecniche di produzione per biomateriali altamente funzionali utilizzando cellule intelligenti di piante e altri organismi (progetto Smart Cell)". L'obiettivo del progetto Smart Cell è ottenere la produzione di massa di materiali target di alto valore introducendo geni che codificano percorsi migliorati nei microbi ospiti. Questo processo si basa fortemente sulla tecnologia di analisi delle informazioni per riprogettare i sistemi e i percorsi metabolici che possono aumentare le quantità di produzione e l'efficienza della produzione.

La produzione di alcaloidi è stata scelta come primo esempio di ottimizzazione perché gli alcaloidi sono intermedi chiave nella produzione di prodotti farmaceutici, compresi i farmaci antidolorifici oppioidi. Recentemente, la produzione di antidolorifici derivati ​​da alcaloidi è stata ottenuta utilizzando microbi, ma per rendere questo commercialmente redditizio le rese di produzione devono essere migliorate. L'intermedio alcaloide chiave tetraidropapaverolina (THP) è stato precedentemente prodotto utilizzando una combinazione di due enzimi:l'aminoacido decarbossilasi aromatica (AAAD) e la monoamino ossidasi (MAO). Però, la specificità rilassata MAO è stata una barriera alla produzione efficiente di THP.

Per migliorare questo processo, è stato messo alla prova un programma di progettazione metabolica chiamato M-path. Questo software di previsione è stato sviluppato dal professor Araki dell'Università di Kobe, e applicato per identificare nuovi enzimi che possono bypassare MAO per percorsi migliorati verso l'intermedio alcaloide chiave THP. L'analisi del percorso M ha portato alla scoperta di un promettente enzima naturale trovato nei bachi da seta chiamato 3, 4-diidrossifenilacetaldeide sintasi (DHPAAS) come alternativa al MAO. DHPAAS è nuovo in quanto possiede capacità di ossidazione dell'ammina in aggiunta all'attività di decarbossilazione convenzionale. Il team ha quindi sviluppato metodi di ingegneria enzimatica basati sulla struttura per identificare gli amminoacidi chiave coinvolti nella determinazione dell'attività dell'enzima DHPAAS. Ciò ha permesso loro di creare enzimi DHPAAS artificiali in grado di regolare il rapporto tra le attività di decarbossilasi e ammino ossidasi, portando a una migliore produzione dell'intermedio chiave THP.

Quando il team ha introdotto la via metabolica di nuova concezione, compresi enzimi ingegnerizzati, nel batterio di laboratorio convenzionale Escherichia coli, sono stati in grado di controllare con precisione il rapporto tra i principali intermedi dopamina (produzione di decarbossilazione) e DHPAA (prodotto di ossidazione). Il bilanciamento dei livelli di dopamina e DHPAA ha portato a una migliore produzione di alcaloidi all'interno delle "cellule intelligenti" riprogettate. Per ottimizzare ulteriormente il sistema di produzione microbica, oltre 100 metaboliti sono stati analizzati con i sistemi di analisi di massa Shimadzu, consentendo al team di identificare le reazioni collo di bottiglia e le reazioni collaterali che formano sottoprodotti. Incorporando le informazioni sul metabolita come dati di apprendimento per portare avanti un nuovo ciclo DBTL, la produzione di intermedi alcaloidi a valle è stata ulteriormente migliorata.

Questi risultati dimostrano che la combinazione di biotecnologie avanzate e informatica è una strategia efficace per sviluppare rapidamente fabbriche di cellule in grado di produrre molti tipi diversi di materiali preziosi. Inoltre, la capacità di progettare funzioni enzimatiche artificiali può aiutare ad ampliare la gamma di possibili obiettivi di produzione. Guardare avanti, gli autori ritengono che il flusso di lavoro DBTL consentirà una produzione più efficiente di vari materiali utili, compresi i prodotti farmaceutici, chimica fine, prodotti chimici biologici e biocarburanti. Si prevede che questo flusso di lavoro di biologia sintetica apporti un contributo significativo all'industria delle cellule intelligenti di prossima generazione per la produzione di prodotti chimici e farmaceutici complessi, nonché di materiali scoperti di recente.