مهندسی متابولیک: هنر زیست شناسی تولید مواد شیمیایی مفید!

تولید لوتئین از گیاهان و مشکلات آن

لوتئین به عنوان یک ماده­ی شیمیایی گزانتوفیل ( رنگ دانه­ی زرد ) طبقه بندی می­شود، که در زرده­ی تخم مرغ، میوه­ها و سبزیجات به وفور یافت می­شود. لوتئین از چشم در برابر آسیب اکسیداتیو ناشی از تابش محافظت می­کند و همچنین خطر بیماری­های چشمی از جمله، دژنراسیون ماکولا ( یکی از علل از دست دادن بینایی در افراد مسن ) و آب مروارید را کاهش می­دهد. محصولات تجاری حاوی لوتئین، از عصاره­ی گل همیشه بهار به دست می­آیند که به دلیل داشتن مقادیر فراوان لوتئین، شناخته شده می­باشد. با این حال، یکی از مشکلات تولید لوتئین، به صورت طبیعی این است که تولید و برداشت گل همیشه بهار، زمان بر می­باشد. علاوه بر این، پروسه­ی مذکور، نیازمند مراحل استخراج­، به صورت فیزیکی و شیمیایی و با بازده پایین می­باشد، که در نتیجه، آن را از نظر بهره­ وری اقتصادی غیر ممکن می­سازد. بنابراین، هزینه­ی بالا و بازده پایین این فرآیندهای زیستی، سهولت برآورده کردن تقاضای لوتئین را با مشکل مواجه کرده است.

تولید لوتئین از E.Coli

این چالش­ها، الهام بخش یک تیم مهندسی متابولیک شیمی و بیومولکولی قرار گرفت. مطالعات این تیم تحقیقاتی با عنوان ” مهندسی متابولیک E.Coli، از طریق جهت دهی الکترون، به منظور تولید محصولات طبیعی ” منتشر شد. گلیسرول، یکی از منابع کربن می­باشد، که قیمت مناسبی نیز دارد. نتایج این تحقیقات، توانایی تولید لوتئین از E.Coli  را با عملکرد بالا و با استفاده از گلیسرین، از طریق مهندسی متابولیک سیستمی نشان می­دهد. این گروه تحقیقاتی، بر حل محدودیت­های مسیر بیوسنتزی، برای تولید لوتئین ساخته شده در یک سلول متمایز، متمرکز شدند. درابتدا، و در زمانی که مسیر بیوسنتز لوتئین مطرح شد، لوتئین در مقادیر بسیار کم، توسط مهندسی متابولیک سیستمی، تولید شد. مهندسی متابولیک سیستمی، یک نوع تکنولوژی جامع برای مهندسی متابولیسم یک میکروارگانیسم می­باشد.

این گروه تحقیقاتی، سویه ای از  E.Coli را مهندسی کرده است، که قادر به تولید لوتئین میباشد. این تیم تحقیقاتی، از استراتژیهای مهندسی متابولیک سیستمها، شامل جهت دهی سوبسترا ( انتقال محصول واسطه‌ای یک آنزیم، به سمت آنزیم یا محل فعال دیگر، به طور مستقیم و بدون انتشار در محیط ) و جهت دهی الکترون، به منظور افزایش تولید لوتئین، در سویه ‌ی مهندسی شده‌ی اشریشیا کلای ( E.Coli )، استفاده کرد. همچنین این استراتژیها، جهت تولید کارآمد سایر محصولات طبیعی مهم صنعتی، که در صنایع غذایی، دارویی و آرایشی استفاده میشوند، کاربردی خواهد بود.

سیتوکروم P450، دلیل مهار بیوسنتز لوتئین

به منظور بهبود کارآیی تولید لوتئین، در ابتدا آنزیم­های محدود کننده در مسیر متابولیکی، شناسایی شدند. اطلاعات به دست آمده حاکی از آن بود که واکنش­های متابولیکی، شامل یک آنزیم ناسازگار می­باشد و این آنزیم در دو یا چند واکنش متابولیکی نقش دارد. آنزیم سیتوکروم P450 نیازمند الکترون، جزو مراحل بخش اصلی مسیر مهار بیوسنتز لوتئین می­باشد.

جهت دهی الکترون، راه حل برطرف کردن چالش تولید لوتئین

جهت دهی سوبسترا، به منظور غلبه بر این چالش­ها در دستور کار قرار گرفت، که یک نوع استراتژی به منظور جذب مصنوعی آنزیم­ها در مجاورت فیزیکی درون سلولی می­باشد. انجام این عمل به جهت افزایش غلظت موضعی سوبستراهایی می­باشد که می­توانند به محصولات موردنظر تبدیل شوند تا منجر به هدایت شار متابولیکی بیشتر، به سوی ماده­ی شیمیایی موردنظر شود. در عین حال، این استراتژی به منظور کاهش تشکیل محصولات جانبی ناخواسته نیز انجام شد.

علاوه بر این، جهت دهی الکترون نیز، یک استرتژی مشابه جهت دهی سوبسترا می­باشد، اما از نظر افزایش غلظت موضعی الکترون­های مورد نیاز، جهت واکنش­های کاهش اکسیداسیون با واسطه­ی P450 و ردوکتاز، متفاوت می­باشد. این روش، به منظورافزایش تسهیل هدایت شار متابولیکی، به سمت بیوسنتز لوتئین به کار گرفته شد؛ که منجر به ایجاد بالاترین تیتر تولید لوتئین در یک میزبان باکتریایی شد که تاکنون بی سابقه بوده است. استراتژی جهت دهی الکترون، برای تولید سایر محصولات طبیعی از جمله نوت کاتون و آپیژنین در E.Coli، با موفقیت به کار گرفته شد، که بیانگر کاربرد کلی این استراتژی، در زمینه­های تحقیقاتی می­باشد.

تکنولوژی توسعه یافته، سهولت تولید محصولات مهم پزشکی

طبق نتایج تحقیقات دانشمندان، انتظار می­رود که این روش تولید لوتئین مبتنی بر کارخانه­ی سلول­های میکروبی، بتواند جایگزین فرآیند استخراج گیاهی فعلی شود. همچنین، یکی دیگر از نکات مهم این است که، استراتژی­های مهندسی متابولیکی یکپارچه­ی توسعه یافته از این تحقیق، به طور کلی می­تواند به منظور تولید کارآمد سایر محصولات طبیعی مفید، مانند داروها یا مواد مغذی، قابل استفاده باشد.

همچنین، با توجه به اینکه حفظ سلامتی در جامعه­ای که در حال پیری می­باشد، اهمیت فزآینده­ای پیدا می­کند، پیش بینی می­شود که تکنولوژی و استراتژی­های توسعه یافته در این تحقیقات، نقش اساسی در تولید سایر محصولات طبیعی با اهمیت پزشکی یا تغذیه­ای ایفا کند.

منبع گزارش:

Materials provided by The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Note: Content may be edited for style and length.

مجله مرجع:

Seon Young Park, Hyunmin Eun, Mun Hee Lee, Sang Yup Lee. Metabolic engineering of Escherichia coli with electron channelling for the production of natural products. Nature Catalysis, 2022; DOI: 10.1038/s41929-022-00820-4