Metabolic engineering of Escherichia coli to enhance L-serine biosynthesis
Cette étude améliore la production industrielle de L-sérine chez *Escherichia coli* en modifiant systématiquement la souche parentale H5 pour supprimer les gènes de réabsorption et optimiser les modules de biosynthèse, de transport et de cofacteurs, atteignant finalement une augmentation de rendement de 71,84 % à 0,48 g/g grâce à la souche H8-abc et à l'optimisation du milieu.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Dans le monde microscopique des bactéries, la vie est un équilibre constant entre l'absorption de nourriture et sa transformation en blocs de construction nécessaires à la croissance. L'un de ces blocs est la L-sérine, une molécule qui, bien que non essentielle à la survie humaine, est un ingrédient vital pour tout, des additifs alimentaires et l'alimentation animale aux médicaments et cosmétiques. Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté d'inciter des bactéries comme Escherichia coli à produire cette molécule en grandes quantités. Le défi était double : amener les bactéries à en produire suffisamment et s'assurer que le processus soit assez efficace pour être économiquement viable. L'efficacité signifie ici quelle quantité de sucre consommée par les bactéries est réellement convertie en le produit souhaité, plutôt que d'être gaspillée ou transformée en d'autres choses. Si une usine transforme une tonne de matière première en seulement une petite quantité de produit, le coût devient trop élevé pour une utilisation généralisée. L'objectif est de recâbler la machinerie interne des bactéries afin qu'elles canalisent autant d'énergie que possible vers la création de L-sérine, tout en empêchant qu'elles ne consomment le produit qu'elles viennent de fabriquer ou qu'elles ne soient submergées par son accumulation.
Une équipe de chercheurs de l'Université de Jiangnan et de l'Université du Sichuan en Chine s'est donné pour mission de résoudre ce problème en traitant la cellule bactérienne comme une usine complexe nécessitant un meilleur plan de conception. Ils ont commencé avec une souche d'E. coli déjà capable de produire de la L-sérine, mais ils savaient qu'elle pouvait être bien meilleure. Leur première étape a consisté à empêcher les bactéries de recycler le produit. Tout comme une usine pourrait accidentellement ramener des produits finis sur la chaîne de montage pour les décomposer, ces bactéries avaient l'habitude de réabsorber la L-sérine qu'elles sécrétaient pour l'utiliser à d'autres fins. Les scientifiques ont utilisé un outil d'édition génétique précis pour supprimer les gènes spécifiques responsables de cette réabsorption. Cela a créé une nouvelle souche qui conservait davantage de L-sérine à l'extérieur de la cellule, augmentant ainsi la quantité récoltée. Cependant, le simple fait d'arrêter le gaspillage ne suffisait pas ; ils devaient booster la ligne de production elle-même.
Les chercheurs ont ensuite introduit un nouvel ensemble d'instructions dans les bactéries, empruntant un module de production hautement efficace à une autre espèce de bactérie, Corynebacterium glutamicum. Ce module étranger agissait comme un moteur plus puissant pour convertir la matière première en L-sérine. Lorsqu'ils ont combiné ce nouveau moteur avec la souche qui ne recyclait plus le produit, les bactéries ont produit nettement plus de L-sérine et le taux de conversion s'est considérablement amélioré. Ils ont également essayé d'aider les bactéries à exporter le produit plus rapidement en ajoutant des canaux de transport supplémentaires, de la même manière que l'on ouvrirait plus de quais de chargement dans une usine, et ils ont expérimenté l'ajustement de l'équilibre chimique interne pour s'assurer que la machinerie dispose du bon carburant. Curieusement, ils ont constaté que l'ajout de trop d'améliorations à la fois ralentissait en réalité les bactéries, suggérant que l'équilibre interne de la cellule est délicat et que la surcharger de changements peut être contre-productif.
Après avoir testé diverses combinaisons, l'équipe a identifié une souche spécifique qui offrait les meilleures performances. Ils ont ensuite peaufiné l'environnement liquide dans lequel les bactéries se développaient, ajustant les quantités de vitamines et d'autres nutriments pour créer les conditions de production idéales. Lors des tests finaux, cette souche optimisée a produit 7,20 grammes de L-sérine par litre de liquide, avec un rendement de conversion de 0,48 gramme de produit pour chaque gramme de sucre consommé. Cela représentait une augmentation de l'efficacité de près de 72 % par rapport à leur souche de départ. L'étude démontre qu'en éditant soigneusement les gènes des bactéries pour stopper le gaspillage, en empruntant une meilleure machinerie à d'autres espèces et en trouvant le bon équilibre de nutriments, les scientifiques peuvent créer un système beaucoup plus efficace pour la production de ce produit chimique industriel important. Ce travail fournit une feuille de route claire pour développer des souches bactériennes capables de répondre à la demande mondiale croissante de L-sérine de manière rentable et durable.
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