L’utilisation de microbes artificiels comme usines microscopiques a donné au monde des sources stables de médicaments vitaux, a révolutionné l’industrie alimentaire et nous a permis de fabriquer des versions durables de produits chimiques précieux auparavant fabriqués à partir du pétrole.
Mais derrière chaque produit biofabriqué sur le marché aujourd’hui se cache l’investissement d’années de travail et de plusieurs hundreds of thousands de bucks en financement de recherche et développement. Les scientifiques du Berkeley Lab veulent aider l’industrie en plein essor à atteindre de nouveaux sommets en accélérant et en rationalisant le processus d’ingénierie des microbes pour produire des composés importants avec une efficacité commerciale.
Une équipe dirigée par la scientifique principale Aindrila Mukhopadhyay a développé un flux de travail qui merge l’édition génétique CRISPR avec une suite de modèles informatiques d’expression des gènes microbiens et d’activité enzymatique qui peuvent être utilisés pour prédire les modifications génétiques nécessaires. Leurs derniers travaux ont été récemment publiés dans Cell Experiences.
« Une grande partie de la conception des souches repose encore sur des essais et des erreurs, ce qui est laborieux et prend du temps. Nous avons démontré qu’en associant des approches ciblées axées sur des gènes et des protéines spécifiques avec des méthodes modélisant l’ensemble du génome, vous pouvez réduire considérablement le développement de produits. cycles d’années en mois », a déclaré le co-leading auteur Thomas Eng, directeur adjoint de l’ingénierie hôte au Joint BioEnergy Institute (JBEI), un centre de recherche du département de l’énergie et de la bioénergie dirigé par le domaine des biosciences du Berkeley Lab.
Le flux de travail, appelé Product Substrate Pairing (PSP), s’est déjà révélé très prometteur pour l’ingénierie de souches capables de convertir des resources alimentaires bactériennes courantes en molécules cibles. Mais pour démontrer la véritable puissance de cette approche, leurs nouveaux travaux se sont concentrés sur le développement d’une souche capable de se nourrir de molécules dérivées de la lignine, un kind de tissu végétal fibreux et résistant. La lignine est un précurseur écologique idéal pour nourrir les microbes de la biofabrication, automobile elle est abondante dans les centaines de hundreds of thousands de tonnes de déchets végétaux générés chaque année par les cultures après récolte et le défrichement. Actuellement, la plupart des processus de biofabrication reposent sur de simples molécules de sucre dérivées de cultures spécialement cultivées, appelées matières premières, mais en recyclant l’abondance de lignine déjà disponible, les scientifiques de JBEI espèrent rendre la fabrication biosourcée furthermore renouvelable et neutre en carbone.
L’équipe a commencé avec une souche de bactérie able de se nourrir naturellement d’un dérivé de la lignine, puis a utilisé la PSP pour étudier quels gènes natifs devaient être supprimés, quels gènes non natifs devaient être insérés et quelles problems de tradition étaient nécessaires pour le bactéries pour produire des niveaux élevés d’un composé non natif. Des milliers de conceptions informatiques ont été évaluées et finalement deux ont été testées en laboratoire. Dans ce cas, ils ont modifié la bactérie pour produire de l’indigoidine, un colorant bleu aux multiples utilisations qui lui est propre et qui sert également de bon substitut à d’autres molécules souhaitables. Grâce à des séries itératives de modélisation informatique et de society et d’analyse réelles de souches modifiées par CRISPR, les auteurs ont démontré un flux de travail généralisable qui supprime la béquille de conception de souches par essais et erreurs.
« La sauce spéciale vient de la manière dont des outils bien établis sont intégrés pour créer un flux de travail relevant à n’importe quel microbe et n’importe quel bioprocédé », a déclaré le co-leading auteur Deepanwita Banerjee, chercheur en informatique au sein du groupe d’ingénierie hôte de JBEI. « Notre report révolutionnaire démontre une manière logique et efficace de créer et de tester des souches fondée sur le comportement des cellules à chaque étape du cycle de développement. Il s’agit d’un grand pas vers une compréhension prédictive de la fonction cellulaire. »
L’équipe s’est également appuyée sur l’expertise et l’instrumentation du Berkeley Lab pour caractériser pleinement leurs usines microbiennes selon de nombreuses rubriques différentes. Christopher J. Petzold et le groupe de génomique fonctionnelle de JBEI ont exploité des méthodes à haut débit pour caractériser rapidement la façon dont les souches ont modifié leur expression protéique dans ce nouveau but. Carolyn Larabell, chercheuse principale dans le domaine des biosciences, et son équipe ont réalisé une tomographie à rayons X doux à l’Advanced Light-weight Supply pour fournir des images à extremely haute résolution permettant d’identifier les cellules les mieux adaptées à la biofabrication. Enfin, Blake Simmons et les scientifiques de la division de déconstruction du JBEI ont fourni des conseils et des échantillons de sorgho riches en lignine pour démontrer remark ce processus de biofabrication fonctionnerait dans des disorders réelles.
Après approximativement un an de travail, l’équipe a pu concevoir une variété avec un rendement extrêmement élevé de 77 %.
« Toute l’entreprise de biofabrication tough dépend de notre capacité à utiliser une huge gamme de matières premières », a déclaré Mukhopadhyay, vice-président des biocarburants et des bioproduits et directeur de l’ingénierie hôte chez JBEI. « Cependant, les méthodes individuelles peuvent être limitées par notre connaissance incomplète de précurseurs moins compris. Notre flux de travail d’ensemble utilise des outils bien développés et devrait être relevant à de nombreuses sources de carbone, systèmes microbiens et cibles de biofabrication. »
