Metabolic engineering of Escherichia coli to enhance L-serine biosynthesis
Deze studie verbeterde de industriële L-serineproductie in *Escherichia coli* door systematisch de ouderstam H5 te modificeren door de deletie van heropnamegenen en het optimaliseren van biosynthetische, transport- en cofactor-modules, wat uiteindelijk via stam H8-abc en mediumoptimalisatie leidde tot een opbrengstverhoging van 71,84% naar 0,48 g/g.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
In de microscopische wereld van bacteriën is het leven een constante evenwichtsoefening tussen het opnemen van voedsel en het omzetten daarvan in de bouwstenen die nodig zijn voor groei. Een dergelijke bouwsteen is L-serine, een molecuul dat, hoewel niet essentieel voor mens overleving, een vitale ingrediënt is in alles van voedseladditieven en veevoer tot medicijnen en cosmetica. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd bacteriën zoals Escherichia coli te verleiden om dit molecuul in grote hoeveelheden te produceren. De uitdaging was tweeledig: de bacteriën ertoe krijgen om er genoeg van te maken, en ervoor zorgen dat het proces efficiënt genoeg is om economisch rendabel te zijn. Efficiëntie betekent hier hoe veel van de suiker die de bacteriën eten daadwerkelijk wordt omgezet in het gewenste product, in plaats van dat het wordt verspild of in andere dingen wordt omgezet. Als een fabriek een ton aan grondstoffen omzet in slechts een kleine hoeveelheid product, worden de kosten te hoog voor wijdverspreid gebruik. Het doel is om de interne machinerie van de bacteriën te herbedraden, zodat ze zoveel mogelijk van hun energie steken in het creëren van L-serine, terwijl ze voorkomen dat ze het product dat ze net hebben gemaakt weer opeten of overweldigd raken door de ophoping ervan.
Een team onderzoekers van de Jiangnan Universiteit en de Sichuan Universiteit in China begon dit probleem op te lossen door de bacteriële cel te behandelen als een complexe fabriek die een beter blauwdruk nodig had. Ze begonnen met een stam van E. coli die al in staat was om L-serine te maken, maar ze wisten dat deze veel beter kon. Hun eerste stap was om de bacteriën te stoppen met het recyclen van het product. Net zoals een fabriek per ongeluk afgewerkte goederen terug op de assemblagelijn zou kunnen halen om ze af te breken, hadden deze bacteriën de gewoonte om de L-serine die ze uitscheidden weer op te nemen en voor andere doeleinden te gebruiken. De wetenschappers gebruikten een nauwkeurige genetische bewerkingstool om de specifieke genen die verantwoordelijk waren voor deze heropname eruit te snijden. Dit creëerde een nieuwe stam die meer L-serine buiten de cel hield, waardoor de hoeveelheid die geoogst werd toenam. Echter, alleen het stoppen van de verspilling was niet genoeg; ze moesten de productielijn zelf ook een boost geven.
De onderzoekers introduceerden vervolgens een nieuwe set instructies in de bacteriën, waarbij ze een zeer efficiënt productieblok module leenden van een andere bacteriesoort, Corynebacterium glutamicum. Deze vreemde module fungeerde als een krachtigere motor voor het omzetten van de grondstof in L-serine. Wanneer ze deze nieuwe motor combineerden met de stam die het product niet langer recyclede, produceerden de bacteriën aanzienlijk meer L-serine, en verbeterde de conversieratio drastisch. Ze probeerden ook te helpen de bacteriën het product sneller te laten exporteren door extra transportkanalen toe te voegen, vergelijkbaar met het openen van meer laadperrons bij een fabriek, en ze experimenteerden met het aanpassen van de interne chemische balans om ervoor te zorgen dat de machinerie over de juiste brandstof beschikte. Interessant genoeg ontdekten ze dat het toevoegen van te veel verbeteringen tegelijkertijd de bacteriën juist vertraagde, wat suggereerde dat de interne balans van de cel delicaat is en dat het overbelasten ervan met veranderingen contraproductief kan zijn.
Na het testen van diverse combinaties, identificeerde het team één specifieke stam die het best presteerde. Vervolgens verfijnden ze de vloeibare omgeving waarin de bacteriën groeiden, door de hoeveelheden vitaminen en andere voedingsstoffen aan te passen om de perfecte condities voor productie te creëren. In de laatste tests produceerde deze geoptimaliseerde stam 7,20 gram L-serine per liter vloeistof, met een conversie-opbrengst van 0,48 gram product voor elke gram geconsumeerde suiker. Dit vertegenwoordigde een toename in efficiëntie van bijna 72 procent vergeleken met hun startstam. De studie toont aan dat door de genen van bacteriën zorgvuldig te bewerken om verspilling te stoppen, betere machinerie van andere soorten te lenen, en de juiste balans van voedingsstoffen te vinden, wetenschappers een veel efficiënter systeem kunnen creëren voor de productie van dit belangrijke industriële chemische bestanddeel. Het werk biedt een duidelijk stappenplan voor het ontwikkelen van bacteriële stammen die aan de groeiende wereldwijde vraag naar L-serine op een kosteneffectieve en duurzame manier kunnen voldoen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.