Metabolic engineering of Escherichia coli to enhance L-serine biosynthesis
Questo studio migliora la produzione industriale di L-serina in *Escherichia coli* mediante l'ingegnerizzazione sistematica del ceppo parentale H5 per eliminare i geni di riassorbimento e ottimizzare i moduli biosintetici, di trasporto e dei cofattori, raggiungendo infine un aumento della resa del 71,84% fino a 0,48 g/g attraverso il ceppo H8-abc e l'ottimizzazione del terreno.
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Nel mondo microscopico dei batteri, la vita è un costante gioco di equilibrio tra l'assunzione di cibo e la sua trasformazione nei mattoni necessari per la crescita. Uno di questi mattoni è la L-serina, una molecola che, pur non essendo essenziale per la sopravvivenza umana, è un ingrediente vitale in tutto, dagli additivi alimentari e mangimi animali ai medicinali e ai cosmetici. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di convincere batteri come l'Escherichia coli a produrre questa molecola in grandi quantità. La sfida è stata duplice: far sì che i batteri ne producessero abbastanza e garantire che il processo fosse sufficientemente efficiente da essere economicamente sostenibile. L'efficienza, in questo caso, riguarda quanto dello zucchero consumato dai batteri venga effettivamente convertito nel prodotto desiderato, invece di essere sprecato o trasformato in altre cose. Se una fabbrica trasforma una tonnellata di materia prima in una piccola quantità di prodotto, il costo diventa troppo elevato per un uso diffuso. L'obiettivo è riprogrammare la macchina interna dei batteri affinché convogli la maggior parte della loro energia nella creazione di L-serina, impedendo al contempo loro di consumare il prodotto appena creato o di essere sopraffatti dal suo accumulo.
Un team di ricercatori della Jiangnan University e della Sichuan University in Cina ha deciso di risolvere questo problema trattando la cella batterica come una fabbrica complessa che necessitava di un progetto migliore. Sono partiti da un ceppo di E. coli che era già capace di produrre L-serina, ma sapevano che poteva essere molto più efficiente. Il loro primo passo è stato impedire ai batteri di riciclare il prodotto. Proprio come una fabbrica potrebbe accidentalmente riportare i prodotti finiti sulla linea di assemblaggio per essere smantellati, questi batteri avevano l'abitudine di riassorbire la L-serina che secernano per usarla per altri scopi. Gli scienziati hanno utilizzato uno strumento di editing genetico di precisione per eliminare i geni specifici responsabili di questo riassorbimento. Ciò ha creato un nuovo ceppo che manteneva più L-serina all'esterno della cellula, aumentando la quantità raccolta. Tuttavia, fermare semplicemente lo spreco non era sufficiente; dovevano potenziare la linea di produzione stessa.
I ricercatori hanno poi introdotto un nuovo set di istruzioni nei batteri, prendendo in prestito un modulo di produzione altamente efficiente da una diversa specie di batterio, il Corynebacterium glutamicum. Questo modulo estraneo agiva come un motore più potente per la conversione della materia prima in L-serina. Quando hanno combinato questo nuovo motore con il ceppo che non riciclava più il prodotto, i batteri hanno prodotto significativamente più L-serina e il tasso di conversione è migliorato drasticamente. Hanno anche provato ad aiutare i batteri a esportare il prodotto più velocemente aggiungendo canali di trasporto extra, in modo simile all'apertura di ulteriori banchine di carico in una fabbrica, e hanno sperimentato l'aggiustamento dell'equilibrio chimico interno per garantire che la macchina avesse il carburante giusto. Curiosamente, hanno scoperto che aggiungere troppi miglioramenti tutti insieme rallentava effettivamente i batteri, suggerendo che l'equilibrio interno della cellula sia delicato e che sovraccaricarla con troppi cambiamenti possa essere controproducente.
Dopo aver testato varie combinazioni, il team ha identificato un ceppo specifico che offriva le prestazioni migliori. Hanno poi perfezionato l'ambiente liquido in cui crescevano i batteri, regolando le quantità di vitamine e altri nutrienti per creare le condizioni perfette per la produzione. Nei test finali, questo ceppo ottimizzato ha prodotto 7,20 grammi di L-serina per litro di liquido, con una resa di conversione di 0,48 grammi di prodotto per ogni grammo di zucchero consumato. Ciò ha rappresentato un aumento dell'efficienza di quasi il 72% rispetto al loro ceppo di partenza. Lo studio dimostra che, modificando attentamente i geni dei batteri per eliminare gli sprechi, prendendo in prestito macchinari migliori da altre specie e trovando il giusto equilibrio di nutrienti, gli scienziati possono creare un sistema molto più efficiente per la produzione di questo importante composto industriale. Il lavoro fornisce una chiara tabella di marcia per sviluppare ceppi batterici in grado di soddisfare la crescente domanda globale di L-serina in modo conveniente e sostenibile.
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