Metabolic engineering of Escherichia coli to enhance L-serine biosynthesis
تعمل هذه الدراسة على تعزيز الإنتاج الصناعي لـ L-serine في بكتيريا Escherichia coli من خلال هندسة السلالة الأبوية H5 بشكل منهجي لحذف جينات إعادة الامتصاص وتحسين وحدات التصنيع الحيوي والنقل والعوامل المساعدة، مما أدى في النهاية إلى تحقيق زيادة في العائد بنسبة 71.84% لتصل إلى 0.48 جم/جم من خلال السلالة H8-abc وتحسين الوسط الغذائي.
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 عالم البكتيريا المجهري، تُعد الحياة عملية توازن مستمر بين تناول الغذاء وتحويله إلى اللبنات الأساسية اللازمة للنمو. إحدى هذه اللبنات هي "إل-سيرين" (L-serine)، وهو جزيء، رغم أنه ليس ضرورياً لبقاء الإنسان على قيد الحياة، إلا أنه مكون حيوي في كل شيء بدءاً من المضافات الغذائية وأعلاف الحيوانات وصولاً إلى الأدوية ومستحضرات التجميل. لعقود من الزمن، حاول العلماء حث بكتيريا مثل "إيشيريشيا كولاي" (Escherichia coli) على إنتاج هذا الجزيء بكميات كبيرة. كان التحدي ذا شقين: جعل البكتيريا تنتج ما يكفي منه، وضمان أن تكون العملية فعالة بما يكفي لتكون مجدية اقتصادياً. وتعني الكفاءة هنا مقدار السكر الذي تأكله البكتيريا ويتحول بالفعل إلى المنتج المطلوب، بدلاً من أن يُهدر أو يتحول إلى أشياء أخرى. فإذا حول مصنع طنّاً من المواد الخام إلى كمية صغيرة فقط من المنتج، تصبح التكلفة عالية جداً للاستخدام على نطاق واسع. الهدف هو إعادة برمجة الآلات الداخلية للبكتيريا بحيث توجه أكبر قدر ممكن من طاقتها نحو صنع "إل-سيرين"، مع منعها من استهلاك المنتج الذي صنعته للتو أو الغرق تحت وطأة تراكمه.
لقد شرع فريق من الباحثين في جامعة جيانغنان وجامعة سيشوان في الصين في حل هذه المشكلة عبر معاملة الخلية البكتيرية كأنها مصنع معقد يحتاج إلى مخطط أفضل. بدأوا بسلالة من بكتيريا "إيشيريشيا كولاي" كانت قادرة بالفعل على صنع "إل-سيرين"، لكنهم أدركوا أنها يمكن أن تكون أفضل بكثير. تمثلت خطوتهم الأولى في منع البكتيريا من إعادة تدوير المنتج. تماماً كما قد يقوم مصنع بسحب السلع النهائية عن طريق الخطأ وإعادتها إلى خط التجميع لتفكيكها، كانت هذه البكتيريا لديها عادة في إعادة امتصاص "إل-سيرين" الذي تفرزه واستخدامه لأغراض أخرى. استخدم العلماء أداة دقيقة للتحرير الجيني لقص الجينات المحددة المسؤولة عن إعادة الامتصاص هذه. أدى ذلك إلى إنشاء سلالة جديدة تحتفظ بمزيد من "إل-سيرين" خارج الخلية، مما زاد من كمية الحصاد. ومع ذلك، لم يكن مجرد وقف الهدر كافياً؛ فقد كانوا بحاجة إلى تعزيز خط الإنتاج نفسه.
بعد ذلك، أدخل الباحثون مجموعة جديدة من التعليمات إلى البكتيريا، مستعيرين وحدة إنتاج عالية الكفاءة من نوع آخر من البكتيريا، وهي "كورينيباكتيريوم جلوتاميكوم" (Corynebacterium glutamicum). عملت هذه الوحدة الخارجية كأنه محرك أكثر قوة لتحويل المادة الأولية إلى "إل-سيرين". وعندما جمعوا هذا المحرك الجديد مع السلالة التي لم تعد تعيد تدوير المنتج، أنتجت البكتيريا كمية أكبر بكثير من "إل-سيرين"، وتحسن معدل التحويل بشكل كبير. كما حاولوا مساعدة البكتيريا على تصدير المنتج بشكل أسرع عبر إضافة قنوات نقل إضافية، بشكل يشبه فتح المزيد من أرصفة التحميل في المصنع، وجربوا ضبط التوازن الكيميائي الداخلي لضمان امتلاك الآلات للوقود المناسب. ومن المثير للاهتمام أنهم وجدوا أن إضافة الكثير من التحسينات في وقت واحد أدت في الواقع إلى إبطاء البكتيريا، مما يشير إلى أن التوازن الداخلي للخلية دقيق وأن إثقالها بالتغييرات يمكن أن يؤدي إلى نتائج عكسية.
بعد اختبار تركيبات مختلفة، حدد الفريق سلالة واحدة بعينها قدمت أفضل أداء. ثم قاموا بضبط البيئة السائلة التي تنمو فيها البكتيريا بدقة، عبر تعديل كميات الفيتامينات والمغذيات الأخرى لخلق الظروف المثالية للإنتاج. في الاختبارات النهائية، أنتجت هذه السلالة المحسنة 7.20 جراماً من "إل-سيرين" لكل لتر من السائل، مع عائد تحويل قدره 0.48 جرام من المنتج مقابل كل جرام من السكر المستهلك. مثل هذا زيادة تقارب 72 بالمائة في الكفاءة مقارنة بسلالتهم الأصلية. توضح الدراسة أنه من خلال التحرير الدقيق لجينات البكتيريا لوقف الهدر، واستعارة آلات أفضل من أنواع أخرى، وإيجاد التوازن الصحيح للمغذيات، يمكن للعلماء إنشاء نظام أكثر كفاءة لإنتاج هذا الكيميائي الصناعي المهم. ويوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة لتطوير سلالات بكتيرية يمكنها تلبية الطلب العالمي المتزايد على "إل-سيرين" بطريقة فعالة من حيث التكلفة ومستدامة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.