Метаболическая инженерия, которую можно определить как целенаправленную модификацию клеточных метаболических и регуляторных сетей с целью улучшения производства желаемого продукта, успешно применялась для улучшения производительности клетки. Однако спроектировать клеточный метаболизм и регуляторные цепи в клетке нетривиально из-за их высокой сложности.В метаболической инженерии важно найти гены, которые необходимо амплифицировать и ослабить, чтобы увеличить скорость образования продукта при минимизации образования нежелательных побочных продуктов. Эксперименты по нокауту генов часто проводят для удаления тех метаболических потоков, которые, следовательно, приводят к увеличению образования желаемого продукта.
Однако эксперименты по нокауту генов требуют больших усилий и времени, и их трудно сделать для большого количества генов. Кроме того, эксперименты по нокауту генов, проведенные в одном штамме, нельзя перенести на другой организм, и, следовательно, весь экспериментальный процесс должен быть повторен. Это большая проблема при разработке высокопроизводительной фабрики микробных клеток, поскольку требуется найти лучший платформенный штамм среди множества различных штаммов.
Поэтому исследователи стремились разработать стратегию, позволяющую быстро идентифицировать несколько генов, которые должны быть аттенуированы в нескольких штаммах одновременно.Корейская исследовательская группа во главе с выдающимся профессором Санг Юп Ли с факультета химической и биомолекулярной инженерии Корейского передового института науки и технологий (KAIST), научно-технического университета в Корее, сообщила о разработке стратегии для эффективного развития микробиологической продукции. клеточные фабрики, используя синтетические малые РНК (мРНК). Они впервые сообщили о разработке такой системы в Nature Biotechnology в феврале прошлого года.
Эта стратегия использования синтетических мРНК в метаболической инженерии вызвала большой интерес во всем мире, поскольку она позволяет легко, быстро, с высокой пропускной способностью, настраиваемым и невыполнимым нокдаун нескольких генов в нескольких штаммах одновременно. Теперь статья, опубликованная в Интернете 8 августа в качестве обложки журнала (сентябрьский выпуск) в журнале Nature Protocols, описывает подробную стратегию и протокол использования синтетических мРНК для метаболической инженерии.В этой статье его команда описывает подробный пошаговый протокол для синтетического контроля экспрессии генов на основе мРНК, включая принципы конструирования мРНК. Специально созданными синтетическими мРНК можно легко манипулировать с помощью обычного метода клонирования генов.
Использование синтетических мРНК для регуляции экспрессии генов дает несколько преимуществ, таких как переносимость, обусловленность и возможность настройки в высокопроизводительных экспериментах. Система экспрессии синтетической мРНК на основе плазмиды не оставляет рубцов на хромосоме и может быть легко перенесена на многие другие штаммы-хозяева для исследования.
Таким образом, создание библиотек и исследование различных штаммов хозяев намного проще, чем традиционные жестко запрограммированные системы манипуляции генами. Кроме того, экспрессию генов можно условно подавить, контролируя производство синтетических мРНК.
Синтетические мРНК, обладающие различной эффективностью репрессии, также позволяют точно настраивать уровни экспрессии генов. Кроме того, синтетические мРНК позволяют подавить экспрессию основных генов, что было невозможно в обычных экспериментах по отключению генов.Синтетические мРНК могут использоваться для различных экспериментов, где необходима регуляция экспрессии генов. Одним из многообещающих приложений является высокопроизводительный скрининг целевых генов, которыми нужно манипулировать, и нескольких штаммов одновременно для увеличения производства интересующих химикатов и материалов.
Такая одновременная оптимизация генов-мишеней и штаммов была одной из больших проблем метаболической инженерии. Другое применение — точная настройка экспрессии отобранных генов для оптимизации потока, что могло бы дополнительно улучшить химическое производство за счет уравновешивания потока между образованием биомассы и целевым химическим производством. Синтетические мРНК также могут применяться для тонкой регуляции генетических взаимодействий в цепи или сети, что очень важно в синтетической биологии. После конструирования плазмиды, несущей каркас мРНК, в течение 3-4 дней можно получить индивидуализированные синтетические мРНК с последующими экспериментами по желаемому применению.
Доктор Эйтан Злоторынски, редактор журнала Nature Protocols, сказал: «В этой статье подробно описан протокол для создания и применения синтетической мРНК. Этот метод, имеющий множество преимуществ, вероятно, станет обычной практикой и окажется полезным для метаболической инженерии и исследования синтетической биологии ".