Корейская исследовательская группа, возглавляемая выдающимся профессором Санг Юп Ли из отдела химической и биомолекулярной инженерии Корейского передового института науки и технологий (KAIST), создала систему биопереработки для создания неприродных полимеров из природных источников, что позволяет изготавливать различные пластмассы. экологически безопасным и устойчивым образом. Результаты исследования были опубликованы в Интернете в журнале Nature Biotechnology 7 марта 2016 года.
Версия для печати выйдет в апреле 2016 года.Исследовательская группа применила подход системной метаболической инженерии для разработки микроорганизма, который может производить различные неприродные, биомедицинские полимеры, и смогла синтезировать сополимер сополимера лактата с гликолятом (PLGA), сополимера двух различных полимерных мономеров, молочного и молочного. гликолевая кислота. PLGA является биоразлагаемым, биосовместимым и нетоксичным, и он широко используется в биомедицинских и терапевтических приложениях, таких как хирургические швы, протезы, доставка лекарств и тканевая инженерия.
Вдохновленная процессом биосинтеза полигидроксиалканоатов (PHA), полиэфиров биологического происхождения, получаемых в природе путем бактериальной ферментации сахара или липидов, исследовательская группа разработала метаболический путь для биосинтеза PLGA посредством микробной ферментации непосредственно из углеводов в Escherichia coli (E .coli) штаммы.Команда ранее сообщала о рекомбинантной E. coli, продуцирующей PLGA с использованием пути глиоксилатного шунта для генерации гликолата из глюкозы, который был описан в их патентах KR10-1575585-0000 (дата подачи 11 марта 2011 г.), US08883463 и JP5820363. . Однако они обнаружили, что содержание полимера и гликолятную фракцию PLGA нельзя значительно улучшить с помощью дополнительных технических методов. Таким образом, в этом исследовании команда представила гетерологичный путь получения гликолата из ксилозы и преуспела в разработке рекомбинантной E. coli, продуцирующей PLGA и различные новые сополимеры, намного более эффективно.
Чтобы производить PLGA путем микробной ферментации непосредственно из углеводов, команда включила внешние и сконструированные ферменты в качестве катализаторов для сополимеризации PLGA, установив несколько дополнительных метаболических путей для биосинтеза с образованием ряда различных неприродных полимеров, некоторые из которых предназначены для первый раз. Этот процесс синтеза PLGA и других полимеров на биологической основе может заменить существующее сложное химическое производство, которое включает подготовку и очистку прекурсоров, процессы химической полимеризации и удаление металлических катализаторов.Профессор Ли и его команда выполнили in silico моделирование метаболизма клетки E. coli в масштабе генома, чтобы предсказать и проанализировать изменения в метаболических потоках клеток, которые вызваны введением внешних метаболических путей. На основе этих результатов манипулируют генами для оптимизации метаболических потоков путем устранения генов, ответственных за образование побочных продуктов, и повышения уровней экспрессии определенных генов, тем самым обеспечивая эффективное производство целевых полимеров, а также стимулируя рост клеток.
Команда использовала структурную основу широкой субстратной специфичности ключевого синтезирующего фермента, PHA-синтазы, для включения различных сомономеров с основными и боковыми цепями разной длины. Эти мономеры были произведены внутри клетки путем метаболической инженерии, а затем сополимеризованы для улучшения свойств материала PLGA. В результате были получены различные сополимеры PLGA с различными мономерными составами, такие как одобренные Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) мономеры, 3-гидроксибурат, 4-гидроксибурат и 6-гидроксигексаноат. Также были изготовлены недавно применяемые биопластики, такие как 5-гидроксивалерат и 2-гидроксиизовалерат.
Команда использовала приложение системной метаболической инженерии, которое, по мнению исследователей, является первым успешным примером биологического производства PGLA и нескольких новых сополимеров из возобновляемой биомассы путем одностадийной прямой ферментации метаболически модифицированной кишечной палочки.Профессор Ли сказал: «Мы представили важные выводы о том, что неприродные полимеры, такие как PLGA, который обычно используется для доставки лекарств или биомедицинских устройств, были произведены метаболически модифицированной кишечной бактерией.
Наше исследование имеет смысл, поскольку оно предлагает платформенную стратегию в метаболическая инженерия, которая может быть использована в дальнейшем для разработки множества неприродных, полезных полимеров ».Директор Илсуб Бэк из отдела платформенных технологий Министерства науки, ИКТ и будущего планирования Кореи, который курирует Программу развития технологий для решения проблемы изменения климата, сказал:«Профессор Ли руководил одним из наших исследовательских проектов, Системной метаболической инженерией для биоперерабатывающих заводов, который начался как часть программы развития технологий Министерства по борьбе с изменением климата.
Он и его команда постоянно добивались многообещающих результатов и привлекали все больший интерес со стороны мировой общественности. научное сообщество. Поскольку технология изменения климата становится все более важной, это исследование биологического производства неприродных, ценных полимеров оказывает большое влияние на науку и промышленность ".