С молекулярна диета до максимална ефективност

Изследователи от клъстера за биокатализа 2021 подрязват бактериите за биотехнологично производство. За целта те предписват на микроорганизмите генетична диета за отслабване.

Подстригването на бактерии за използване в биотехнологичното производство е сложно начинание. Понякога микробите произвеждат желания ензим, а понякога не. Причината за това често непокорно поведение често остава скрита за изследователя. В съвместния проект P27 на клъстера Biocatalysis 2021, подкрепен от Федералното министерство на образованието и научните изследвания (BMBF), изследователите искат да оптимизират производственото поведение на икономически много интересна бактерия: това е Bacillus subtilis, сеновият бацил. Целта е да се подготвят бактериите за производството на протеини и ензими, които се ценят както от хранителната, така и от фармацевтичната индустрия.

Изследователите в клъстера Biocatalysis 2021, една от четирите мрежи на инициативата за финансиране BMBF BioIndustrie 2021, се занимават с индустриални биотехнологични проекти. Тук се включва и проектът с номер P27 със заглавие: „Нови системи за изразяване на Bacillus”. BMBF финансира проекта с общо 760 000 евро за период от три години.

Молекулярно биологичното укротяване на бактерията сено

Основно препятствие в производството на ензими и протеини все още е осигуряването на подходящи експресионни системи като бактерии или дрожди. Само най-добрите производствени щамове са в състояние да произвеждат аминокиселинни вериги без грешки, да ги сгъват в правилната триизмерна структура и да произвеждат желания протеин в голям мащаб.

„Нашият консорциум би искал да превърне добре характеризираната дива бактерия Bacillus subtilis 6051a в модерен производствен щам. За целта искаме да хвърлим ненужния генетичен баласт на бактерията зад борда - това само пречи на бактерията да изпълнява ефективно работата си “, обяснява Lutz Popper, координатор на проекта P27 и ръководител на научноизследователската и развойна дейност в SternEnzym GmbH & Co. KG. Вече съществуват добри производствени щамове на сеновите бактерии, но те са собственост на големи компании и корпорации. А свободно достъпните лабораторни щамове имат недостатъка, че не са подходящи за мащабно производство. Сега това трябва да се промени - благодарение на работата на консорциума P27: Университетът Ернст Мориц Арндт от Грайфсвалд отговаря за молекулярно-биологичната част. Международно активният Miltenyi Biotech GmbH от Teterow осигурява експресионни системи и се грижи за технологията на ферментация. Третият в групата е Stern-Enzym GmbH. Техните учени тестват произведените ензими за функционалност в сектора на производството на храни.

Препятствията и успехите на научната работа

Двама изследователи от екипа на Томас Шведър, професор по фармацевтична биотехнология в университета Грайфсвалд, отговарят за генетичната оптимизация. Те премахнаха всички ненужни генетични последователности от сеновия бацил и образуваха един вид минимална бактерия, която трябва да направи само едно: да синтезира желаните ензими за промишлена употреба. Този микроорганизъм вече не може дори да се движи. Вие сте го отучили, струва твърде много ненужна енергия и не е необходимо за производството на протеини. „Разбира се, премахването на генетичен материал не беше толкова лесно, колкото звучи“, спомня си координаторът. „Но след няколко неуспехи най-накрая успяхме да докажем осъществимостта на нашата концепция.“ Оптимизираният дизайн на производствения щам вече успя да произведе различни протеини като ксиланаза и амилаза. Консорциумът си е поставил за цел да увеличи производството на протеини. "В момента работим в по-малки ферментатори до десет литра, но производството в по-голям мащаб трябва да се осъществи тук до края на годината", казва 52-годишният хранителен технолог Попър.

Учените имат какво да хапят само с производството на ензим, наречен сулфхидрил оксидаза от бирена мая. „Дрождите са безкрайно мързеливи, когато става въпрос за производството на този ензим“, разкрива Попър. Тъй като е известно, че е много безопасен производствен организъм поради липсата на нежелани метаболитни продукти, сеновият бацил P27 изглеждаше идеално подходящ, но за съжаление той също е малко упорит в тази система: протеинът е произведен, но не е активен. В момента се проучват възможни причини, но Лутц Попър е уверен. Екипът на P27 също ще получи този проблем под контрол.

Дългият и скалист път за икономическа употреба

Партньорите по проекта P27 са успели да проектират микроб, който е стабилен, преобразува равномерно суровините в желаното вещество и също така използва своите енергийни резерви много пестеливо: Търговското използване на някои от синтезираните протеини се извършва от партньорите по проекта Stern-Enzym GmbH и Miltenyi насочена към патентоване също се обмисля. Предвижда се също така този оптимизиран щам да се използва за производството на други ензими от всякакъв вид.