Reazioni biosintetiche costruite in E. coli per la produzione in vivo di 12 SCPA. Questi 12 SCPA erano quelli che si è dimostrato essere prodotti dalla valina decarbossilasi (VlmD) in vitro (riquadri punteggiati). I gruppi amminici e carbossilici mostrati in ciascuna casella tratteggiata sono presentati con cerchi gialli e verdi, rispettivamente. Gli atomi di carbonio del centro di reazione soggetti a trasformazioni chimiche sono contrassegnati da asterischi. La glicolisi è indicata con uno sfondo rosso, che porta alla biosintesi di 12 precursori di aminoacidi. Le reazioni multiple sono presentate con due o più frecce. Credito:The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Gli ingegneri metabolici KAIST presentano per la prima volta la produzione a base biologica di più ammine primarie a catena corta che hanno una vasta gamma di applicazioni nelle industrie chimiche. Il team di ricerca guidato dal distinto professor Sang Yup Lee del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare ha progettato i nuovi percorsi biosintetici per le ammine primarie a catena corta combinando la retrobiosintesi e una fase di selezione dei precursori.
Il team di ricerca ha verificato i percorsi di nuova concezione confermando la produzione in vivo di 10 ammine primarie a catena corta fornendo i precursori. Per di più, i ceppi di Escherichia coli della piattaforma sono stati ingegnerizzati metabolicamente per produrre tre ammine primarie a catena corta proof-of-concept dal glucosio, dimostrando la possibilità della produzione biologica di diverse ammine primarie a catena corta da risorse rinnovabili. Il team di ricerca ha affermato che questo studio espande la strategia di progettazione sistematica di percorsi biosintetici per la produzione di un gruppo di sostanze chimiche correlate, come dimostrato da più ammine primarie a catena corta come esempi.
Attualmente, la maggior parte dei prodotti chimici industriali utilizzati nella nostra vita quotidiana sono prodotti con prodotti a base di petrolio. Però, ci sono diversi problemi seri con l'industria petrolifera come l'esaurimento delle riserve di combustibili fossili e problemi ambientali compreso il riscaldamento globale. Per risolvere questi problemi, la produzione sostenibile di prodotti chimici e materiali industriali viene esplorata con microrganismi come fabbriche di cellule e biomassa non alimentare rinnovabile come materie prime per prodotti alternativi ai prodotti a base di petrolio. L'ingegneria di questi microrganismi è diventata sempre più efficiente ed efficace con l'aiuto dell'ingegneria metabolica dei sistemi, una pratica di ingegneria del metabolismo di un organismo vivente verso la produzione di un metabolita desiderato. A questo proposito, il numero di prodotti chimici prodotti utilizzando la biomassa come materia prima è notevolmente aumentato.
Sebbene la portata delle sostanze chimiche che possono essere prodotte utilizzando i microrganismi continui ad espandersi grazie ai progressi nell'ingegneria metabolica dei sistemi, la produzione biologica di ammine primarie a catena corta non è stata ancora segnalata nonostante la loro importanza industriale. Le ammine primarie a catena corta sono le sostanze chimiche che hanno un gruppo alchilico o arilico al posto di un atomo di idrogeno nell'ammoniaca con lunghezze della catena di carbonio che vanno da C1 a C7. Le ammine primarie a catena corta hanno una vasta gamma di applicazioni nelle industrie chimiche, Per esempio, come precursore per i prodotti farmaceutici (ad es. farmaci antidiabetici e antipertensivi), prodotti agrochimici (ad es. erbicidi, fungicidi e insetticidi), solventi, e acceleratori di vulcanizzazione per gomma e plastificanti. La dimensione del mercato delle ammine primarie a catena corta è stata stimata in oltre 4 miliardi di dollari USA nel 2014.
Il motivo principale per cui la produzione biologica di ammine primarie a catena corta non era ancora possibile era dovuto alle loro vie biosintetiche sconosciute. Perciò, il team ha progettato percorsi biosintetici sintetici per le ammine primarie a catena corta combinando la retrobiosintesi e una fase di selezione dei precursori. La retrobiosintesi ha consentito la progettazione sistematica di un percorso biosintetico per le ammine primarie a catena corta utilizzando una serie di regole di reazione biochimica che descrivono i modelli di trasformazione chimica tra un substrato e le molecole del prodotto a livello atomico.
Questi precursori multipli previsti per la possibile biosintesi di ciascuna ammina primaria a catena corta sono stati ristretti in sequenza utilizzando la fase di selezione dei precursori per esperimenti di ingegneria metabolica efficienti.
"La nostra ricerca dimostra per la prima volta la possibilità della produzione rinnovabile di ammine primarie a catena corta. Stiamo pianificando di aumentare l'efficienza produttiva delle ammine primarie a catena corta. Riteniamo che il nostro studio giocherà un ruolo importante nello sviluppo di ed eco-friendly bio-industrie e la riorganizzazione dell'industria chimica, che è obbligatorio per risolvere i problemi ambientali che minacciano la sopravvivenza dell'umanità, ", ha detto il professor Lee.
