Enhanced production of cis-13,16-docosadienoic acid in Yarrowia lipolytica via systematic metabolic engineering
عملت هذه الدراسة بشكل منهجي على تعزيز إنتاج حمض cis-13,16-docosadienoic (DDA) في خميرة Yarrowia lipolytica من خلال تحسين إمدادات السلائف ومسارات الاستطالة، مما أدى إلى إنتاج سلالة (YL-11) حققت عيارًا قياسيًا مرتفعًا من DDA بلغ 5.34 ملجم/لتر.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في أعماق العالم المجهري للفطريات وحيدة الخلية، بنت الطبيعة مصانع معقدة قادرة على تجميع جزيئات مركبة من مكونات بسيطة مثل السكر. ومن بين هذه الجزيئات الأحماض الدهنية، وهي اللبنات الأساسية للزيوت والدهون التي تلعب أدواراً حيوية في كل من صحة الإنسان والعالم الطبيعي. وتعد بعض هذه الأحماض الدهنية، المعروفة باسم الدهون المتعددة غير المشبعة، قيمة للغاية لأن جسم الإنسان لا يستطيع صنعها بمفرده؛ بل يجب علينا الحصول عليها من نظامنا الغذائي. وقد استقطب جزيء من هذا القبيل، وهو سلسلة مكونة من اثنين وعشرين كربونًا تسمى "حمض cis-13,16-docosadienoic"، اهتمام العلماء مؤخرًا. وتشير الأبحاث إلى أن هذا الدهن تحديدًا يمتلك خصائص قوية، بما في ذلك القدرة على إبطاء نمو بعض الخلايا السرطانية ومكافحة الالتهابات. وحتى الآن، كان الحصول على هذه المادة مهمة صعبة؛ فهي توجد طبيعيًا فقط في بذور نبات شتوي نادر، ينمو ببطء ويصعب زراعته بكميات كبيرة. كما أن الطرق الكيميائية لصنعها في المختبر صعبة بنفس القدر، حيث تتضمن خطوات معقدة وتكاليف عالية. وقد ترك هذا الباحثين يبحثون عن طريقة أفضل لإنتاجها، فوجهوا أنظارهم نحو خميرة "Yarrowia lipolytica"، وهي كائن مجهري قوي معروف بقدرته على تراكم الزيوت.
يكمن التحدي في إقناع هذه الخميرة بصنع جزيء لا تنتجه بشكل طبيعي. فالخميرة بارعة بالفعل في صنع مقدمة تسمى "حمض اللينوليك"، لكنها تفتقر إلى الأدوات المحددة لتمديد هذه المقدمة إلى السلسلة الأطول والأكثر تعقيدًا المطلوبة للمنتج النهائي. ولحل هذه المشكلة، عامل فريق من الباحثين في جامعة هونان الزراعية ومؤسسات أخرى الخميرة كورشة عمل بيولوجية، حيث قاموا بإضافة وتعديل الأدوات الجينية اللازمة لإتمام المهمة بشكل منهجي. بدأوا بالتأكد من أن ورشة العمل لديها إمداد وفير من المواد الأولية. ومن خلال إدخال جينات من كائنات أخرى تعمل كمحولات متخصصة، نجحوا في زيادة كمية حمض اللينوليك داخل خلايا الخميرة. كانت هذه الخطوة حاسمة، حيث إن نقص المواد الخام غالبًا ما يعيق خط الإنتاج بأكمله.
ومع تأمين إمدادات المواد الخام، وجه الفريق انتباهه إلى خط التجميع نفسه. يتطلب تحويل المادة المقدمة إلى المنتج النهائي عملية تمديد مكونة من خطوتين. اختبر الباحثون نسخًا مختلفة من الإنزيمات المسؤولة عن هذا التمديد، تمامًا مثل تجربة أدوات مختلفة لمعرفة أيها يناسب المهمة بشكل أفضل. ووجدوا أن مزيجًا إنزيميًا محددًا يعمل بشكل أفضل بكثير من غيره، حيث نجح في تمديد سلسلة الحمض الدهني. ومع ذلك، لم تكن العملية فعالة بما يكفي؛ فقد كانت الخميرة تنتج الخطوة المتوسطة من السلسلة لكنها تكافح لإتمام المهمة. ولإصلاح ذلك، جرب العلماء تقنية تسمى "اندماج الإنزيمات"، حيث قاموا بربط اثنين من الإنزيمات الضرورية معًا جسديًا، آملين أن يجعل ذلك انتقال المواد بينهما أكثر سلاسة. ومن المثير للدهشة أن هذا النهج لم يعمل كما هو متوقع؛ إذ بدا أن الإنزيمات المرتبطة تعيق بعضها البعض، ولم يتحسن إنتاج المنتج النهائي. علمت هذه النتيجة الفريق أن مجرد لصق الأدوات معًا لا يجعلها تعمل بشكل أفضل دائمًا؛ فأحيانًا يكون الترتيب أهم من الاتصال نفسه.
ولم يستسلم الباحثون، بل غيروا استراتيجيتهم للتركيز على قوة التعليمات التي توجه هذه الإنزيمات. فقد زادوا عدد نسخ الجينات المسؤولة عن عملية التمديد واختبروا مفاتيح جينية مختلفة، تُعرف باسم "المحفزات"، للتحكم في مدى قوة تشغيل هذه الجينات. وفي نتيجة غير متوقعة، اكتشفوا أن المفتاح الأضعف أنتج نتائج أفضل من المفتاح الأقوى. يشير هذا إلى أنه في البيئة المعقدة للخلية الحية، يمكن أحيانًا أن يؤدي النشاط الزائد في منطقة ما إلى تعطيل توازن النظام بأكمله. ومن خلال ضبط تعبير الجينات بعناية، تمكنوا من إنشاء سلالة من الخميرة يمكنها تحويل المادة المقدمة إلى الحمض الدهني المطلوب بفعالية أكبر بكثير مما سبق.
كما استكشف الفريق زاوية مختلفة: منع الخميرة من تفكيك ما صنعته. فقد أزالوا جينًا مسؤولًا عن عملية تنظيف خلوية تعمل طبيعيًا على تفكيك الأحماض الدهنية، آملين أن يسمح ذلك بتراكم المنتج الثمين. وبينما تسبب هذا التغيير في تخزين الخميرة لمزيد من الزيوت بشكل عام، إلا أنه أدى إلى نتيجة كارثية: اختفى الحمض الدهني المحدد الذي كانوا يحاولون صنعه تمامًا. بدا أن تعطيل نظام التنظيف قد أربك عملية التمثيل الغذائي في الخلية لدرجة أنها لم تعد قادرة على تصنيع الجزيء المستهدف. وقد استبعد ذلك الاستراتيجية المذكورة، مما يسلط الضوء على التوازن الدقيق المطلوب في هندسة الكائنات الحية.
من خلال عملية التجربة والخطأ والتحسين، نجح الباحثون في هندسة سلالة من الخميرة تنتج أعلى كمية من هذا الحمض الدهني الثمين تم تسجيلها في مختبر دون استخدام معدات تخمير صناعية معقدة. ففي مزارع "دورق الهز" البسيطة، وصلت الخميرة المهندسة إلى تركيز 5.34 ملليجرام لكل لتر، حيث شكل الجزيء المستهدف 0.47 في المائة من إجمالي الدهون في الخلايا. يوضح هذا الإنجاز أنه من خلال الفهم المنهجي وتعديل المسارات الأيضية للكائن المجهري، يمكن للعلماء حثه على إنتاج مواد معقدة وعالية القيمة كانت صعبة المنال سابقًا. ويضع هذا العمل أساسًا للجهود المستقبلية لتوسيع نطاق هذا الإنتاج، مما قد يوفر مصدرًا مستدامًا ومتاحًا لجزيء يحمل وعودًا كبيرة في مجالي الطب والتغذية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.