La sorgente di luce esterna aumenta la produzione chimica in E. Coli / External Light Source Boosts Chemical Production in E. Coli

La sorgente di luce esterna aumenta la produzione chimica in E. Coli / External Light Source Boosts Chemical Production in E. Coli

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I microbi ingegnerizzati sono veicoli di produzione standard nella bioproduzione, ma la richiesta di adenosina trifosfato (ATP) come fonte di energia per alimentare sia la crescita microbica che la sintesi chimica limita la produzione chimica.

Gli scienziati in Giappone stanno risolvendo questo problema utilizzando la luce come fonte di energia esterna. In particolare, hanno introdotto la rodopsina (una pompa protonica attivata dalla luce) in Escherichia coli per produrre ATP senza coinvolgere il meccanismo naturale della cellula: il ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA) e la catena respiratoria.

Come delineato in un documento, dopo aver stabilito la prova del concetto in 3-idrossipropionato, mevalonato e glutatione, i ricercatori hanno sviluppato miglioramenti. La semplice aggiunta di luce al ceppo che esprime la rodopsina "ha aumentato la velocità di produzione e la resa del 3-idrossipropionato rispettivamente di 2,43 e 2,55 volte, rispetto alla coltura delle cellule al buio", dice Yoshihiro Toya, PhD, dell'Università di Osaka, a GEN .

Toya ha quindi creato super-rodopsine con capacità di pompaggio più efficaci. "Il contenuto di glutatione nel ceppo che esprime la super-rodopsina alla luce è aumentato di 2,3 volte rispetto alla coltura al buio", afferma Toya.

Il gruppo del collega Jun Ishii dell'Università di Kobe ha sviluppato due ceppi aggiuntivi per fornire la retina per attivare la rodopsina e ha ottimizzato l'espressione dei geni nelle vie metaboliche appropriate. Il gruppo del leader del progetto Kiyotaka Y. Hara presso l'Università di Kobe ha quindi integrato i tre sistemi in un ceppo di E. coli che produce il prodotto rispetto alla luce che riceve.

Ci sono due vantaggi chiave. In primo luogo, "Fornire cellule di E. coli con la capacità di autofornirsi di retina aiuta a ridurre i costi di coltura, perché la retina è costosa", afferma Toya. In secondo luogo, hanno trasformato il sistema di espressione della rodopsina da un'induzione chimica (isopropil β-D-1-tiogalattopiranoside - IPTG) - che, in alte concentrazioni, danneggia la crescita di E. coli - in un'espressione costitutiva, ampliando così la sua applicabilità nella bioproduzione. La riduzione delle emissioni di anidride carbonica (che risulta dal non utilizzo del ciclo TCA) è un vantaggio accessorio.

"Quando si espandono i serbatoi di fermentazione microbica industriali esistenti, è necessario un dispositivo LED per illuminare il brodo di coltura dall'interno del serbatoio", afferma Toya in relazione alla produzione commerciale. "In questo studio è stata utilizzata una luce LED bianca, ma poiché la rodopsina assorbe la luce a una lunghezza d'onda di circa 540 nm, l'illuminazione con luce verde è più appropriata. Stiamo anche valutando se sia necessario un sistema di coltura ad irradiazione di luce specifico per E. Coli ”.

Per preparare questo processo per la commercializzazione, i passaggi successivi consistono nel migliorare la produzione chimica nell'E. coli che esprime la rodopsina e nell'attività di pompaggio protonico della rodopsina ed espandere il metodo per produrre composti utili in E. coli ed in altre specie ospiti.

ENGLISH

Engineered microbes are standard production vehicles in biomanufacturing, but the demands on adenosine triphosphate (ATP) as an energy source to fuel both microbial growth and chemical synthesis limits chemical production.

Scientists in Japan are solving that problem by using light as an external energy source. Specifically, they introduced rhodopsin (a light-activated proton pump) into Escherichia coli to produce ATP without involving the cell’s natural machinery—the tricarboxylic acid cycle (TCA) cycle and respiratory chain.

As outlined in a paper, after establishing proof-of-concept in 3-hydroxypropionate, mevalonate, and glutathione, the researchers developed enhancements. Simply adding light to the rhodopsin-expressing strain “increased the production rate and yield of 3-hydroxypropionate 2.43- and 2.55-fold, respectively, compared to culturing the cells in the dark,” Yoshihiro Toya, PhD, at Osaka University, tells GEN.

Toya then created super-rhodopsins with more effective pumping abilities. “Glutathione contents in the super-rhodopsin-expressing strain under light increased by 2.3-fold when compared with culturing under dark,” Toya says.

Colleague Jun Ishii’s group at Kobe University developed two additional strains to provide retinal to activate rhodopsin, and optimized the expression of genes in the appropriate metabolic pathways. Project leader Kiyotaka Y. Hara’s group at Kobe University then integrated the three systems into an E. coli strain that produces product relative to the light it receives.

As outlined in a paper, after establishing proof-of-concept in 3-hydroxypropionate, mevalonate, and glutathione, the researchers developed enhancements. Simply adding light to the rhodopsin-expressing strain “increased the production rate and yield of 3-hydroxypropionate 2.43- and 2.55-fold, respectively, compared to culturing the cells in the dark,” Yoshihiro Toya, PhD, at Osaka University, tells GEN.

Toya then created super-rhodopsins with more effective pumping abilities. “Glutathione contents in the super-rhodopsin-expressing strain under light increased by 2.3-fold when compared with culturing under dark,” Toya says.

Colleague Jun Ishii’s group at Kobe University developed two additional strains to provide retinal to activate rhodopsin, and optimized the expression of genes in the appropriate metabolic pathways. Project leader Kiyotaka Y. Hara’s group at Kobe University then integrated the three systems into an E. coli strain that produces product relative to the light it receives.

Da:

https://www.genengnews.com/topics/bioprocessing/external-light-source-boosts-chemical-production-in-e-coli/