Una collaborazione di ricerca ha scoperto un nuovo meccanismo mediante il quale il glucosio catturato da E. coli viene quindi secreto dalla cellula batterica come glucosio-6-fosfato (G6P). Questa scoperta ha applicazioni significative per migliorare i metodi per produrre in modo sostenibile composti aromatici utili e materie prime per l'industria medica, alimentare e chimica (tra gli altri) dalla biomassa. Il gruppo di ricerca era composto dal Professore Associato Tanaka Tsutomu della Graduate School of Engineering dell'Università di Kobe, dal ricercatore post-dottorato speciale Fujiwara Ryosuke e dal ricercatore Noda Shuhei et al. del Centro RIKEN per la scienza delle risorse sostenibili e il professor Umetsu Mitsuo et al. della Graduate School of Engineering della Tohoku University.

Sulla base del meccanismo scoperto, i ricercatori hanno sviluppato con successo una nuova tecnica per aumentare la produzione del composto bersaglio combinando l'ingegneria metabolica e l'ingegneria della superficie cellulare.

Si spera che applicando questa tecnica sarà possibile aumentare notevolmente la quantità di composto bersaglio prodotto aggiungendo una piccola quantità di "spezia metabolica" al brodo di coltura del microbo.

Questi risultati della ricerca sono stati pubblicati in Metabolic Engineering il 5 marzo 2022.

Punti principali

• I ricercatori hanno scoperto che una parte del glucosio catturato da E. coli era secreto come glucosio-6-fosfato (G6P).
• Hanno sviluppato con successo una nuova tecnica in grado di aumentare la produzione di vari composti intrappolando il G6P secreto sulla superficie dei batteri.
• Si spera che la nuova tecnica possa essere applicata alle "spezie metaboliche". Ciò consentirà di produrre grandi quantità di composti utili semplicemente aggiungendo una piccola quantità di "spezia metabolica" al brodo di coltura del microbo.

Sfondo di ricerca

Un grande vantaggio dei prodotti derivati ​​dalla biomassa (risorse rinnovabili a basso costo che abbondano in natura, come erba e alberi) è che sono carbon neutral; la loro produzione e smaltimento non aumenta la CO₂ atmosferica livelli. Nelle tecnologie di bioproduzione, questa biomassa viene utilizzata come materia prima e ad essa vengono applicati microbi per produrre composti target (ad esempio composti aromatici per l'industria chimica, farmaceutica e alimentare, tra gli altri). Lo sviluppo di queste tecnologie contribuisce al raggiungimento degli SDG ed è vitale per realizzare una società a basse emissioni di carbonio.

Il gruppo di ricerca del professore associato Tanaka ha mostrato enzimi di decomposizione della biomassa sulla superficie di una varietà di microbi e ha sviluppato una tecnologia di ingegneria della superficie cellulare per migliorare la risoluzione spaziale della biomassa. I microbi degradano gli zuccheri presenti nella biomassa vegetale come la cellulosa e il cellooligosaccaride in glucosio. Nel loro studio precedente, i ricercatori hanno ingegnerizzato metabolicamente i microbi in modo che il glucosio degradato fosse catturato dai microbi e utilizzato esclusivamente per produrre il composto bersaglio.

Nel corso di questa ricerca, hanno scoperto un nuovo fenomeno completamente estraneo al degrado della biomassa. Hanno scoperto che la produzione del composto bersaglio era aumentata dall'espressione della superficie dell'enzima. Utilizzando questo fenomeno, hanno dimostrato che era possibile aumentare la velocità e la quantità di produzione di composti derivati ​​dalla biomassa, contribuendo alla decarbonizzazione della produzione di materia. Il gruppo ha quindi condotto ulteriori ricerche con l'obiettivo di comprendere il meccanismo alla base di questo fenomeno e applicarlo alle spezie metaboliche.

Metodologia di ricerca

Questo gruppo di ricerca ha scoperto un fenomeno completamente nuovo per cui una parte del glucosio catturato dal microorganismo modello E. coli viene espulso dalla cellula batterica come glucosio-6-fosfato (G6P). Normalmente, i microbi convertono continuamente il glucosio (la loro fonte di nutrimento) in G6P e lo catturano all'interno delle loro cellule. Fino ad ora, si pensava che il G6P non fosse espulso dalle cellule batteriche una volta catturate. Questo studio ha rivelato un nuovo meccanismo mediante il quale E. coli espelle G6P, contraddicendo la teoria comunemente accettata. L'enzima di degradazione della biomassa è espresso sulla superficie cellulare del microbo ed espelle il G6P. I ricercatori hanno scoperto che intrappolare temporaneamente questo G6P stimolava il metabolismo all'interno delle cellule di E. coli aumentando così la produzione del composto bersaglio.

Successivamente, il gruppo di ricerca ha utilizzato questo meccanismo per localizzare varie proteine ​​che possono intrappolare G6P sulla superficie cellulare batterica. In questo modo, hanno sviluppato una nuova tecnica per aumentare la produzione di compound target. Hanno dimostrato con successo la nuova tecnica producendo quantità maggiori dell'amminoacido aromatico fenilalanina.

Inoltre, hanno anche aumentato la produzione dell'amminoacido aromatico tirosina e acido muconico (un utile acido dicarbossilico) utilizzando la tecnica sviluppata. L'acido muconico, in particolare, è una sostanza chimica industriale molto importante e utile. Può essere facilmente convertito in acido adipico, un ingrediente nella produzione di nylon e viene anche utilizzato come materia prima nella produzione di vari farmaci e prodotti chimici. Questi risultati dimostrano che questa nuova tecnica è altamente versatile e può essere applicata alla produzione di vari composti chimici.

Ulteriori sviluppi

Il gruppo di ricerca ha confermato che, in alternativa all'espressione di proteine ​​sulla superficie delle cellule batteriche, è possibile far verificarsi lo stesso fenomeno aggiungendo al brodo di coltura una molecola speciale. I ricercatori hanno chiamato piccole molecole che possiedono questa caratteristica "spezie metaboliche" e stanno attualmente lavorando per svilupparle. Sperano di aumentare la produzione di composti target semplicemente aggiungendo una piccola quantità di spezie metaboliche al brodo di coltura del microbo, senza la necessità di modificare geneticamente il microbo.

Inoltre, questa tecnica migliora le vie metaboliche specifiche e aumenta l'apporto di precursori di varie sostanze utili). Può essere applicato anche nei casi in cui non è possibile determinare il prodotto finale. Inoltre, i risultati di questo studio hanno dimostrato che è sufficiente un moderato livello di selettività e affinità con G6P.

L'approccio delle spezie metaboliche è diverso dagli approcci esistenti per la scoperta di sostanze chimiche con elevata selettività e affinità. Pertanto, è probabile che ci siano nuovi candidati per l'approccio delle spezie metaboliche tra le "sostanze chimiche rifiutate" catalogate nelle librerie chimiche conservate da varie industrie. Si spera che ciò porti a nuove collaborazioni tra mondo accademico e industria anche con aziende che non hanno un precedente coinvolgimento nella bioproduzione. + Esplora ulteriormente

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