ההשפעה של ביולוגיה סינתטית על יצירת מותאם אישית Microbial Biosynthesis Pathways

הביולוגיה הסינתטית שינתה באופן יסודי את האופן שבו מדענים מעצבים ומהנדסים חיים אורגניזמים לייצר תרכובות כימיות יקרות ערך.על ידי כתיבת הקוד הגנטי של המיקרואורגניזמים, החוקרים יכולים כעת לבנות נתיבים ביולוגיים מותאמים אישית המייצרים תרופות, דלקים ביולוגיים, כימיקלים מיוחדים, וביוטכנולוגיה עם יעילות וקיימות חסרת תקדים.התכנסות זו של ביולוגיה, הנדסה, ומאפשרת יצירת מערכות ביולוגיות שאינן קיימות בטבע, פתחה, תרופות ביולוגיות חדשות, ורפואה ביולוגית, וקיימות.

היכולת לתכנן מיקרובים כמו מפעלים חיים מעצבת שרשרת אספקה וצמצום התלות על מזון פטרוכימי. במקום לחלץ תרכובות נדירות מצמחים או לסנתז אותם באמצעות תהליכים כימיים קשים, חברות יכולות להנדס ין, חיידקים, או אצות כדי לייצר מולקולות זהות בעלות נמוכה יותר ועם טביעת רגל קטנה יותר.

מה זה Synthetic Biology?

ביולוגיה סינתטית היא תחום בין-תחומי אשר מתייחס לעקרונות הנדסיים לביולוגיה.זה נועד לעצב ולבנות חלקים ביולוגיים חדשים, מכשירים ומערכות, כמו גם לעצב מחדש מערכות ביולוגיות טבעיות קיימות למטרות מועילות.בניגוד להנדסת גנטיות מסורתית, שבדרך כלל מעבירה אחד או שניים גנים בין אורגניזמים, ביולוגיה סינתטית מאפשרת את ההרכבה השיטתית של מעגלים גנטיים מורכבים ונתיבים מטבוליים שלמים ממרכיבים סטנדרטיים.

המשמעת התפתחה בתחילת שנות ה-2000, בבניית ההתקדמות ב- DNA, סינתזת גן, והמודלים החישוביים של אבני הדרך של קי כולל את הגנום הסינתטי הראשון (Mycoplasma Mycoides JCVI-syn1.0) בשנת 2010 והשימוש ההולך וגדל ב-CRISPR-Cas9 לעריכה מדויקת כיום, ביולוגיה סינתטית משלבת כלים מביולוגיה, ביו-אינפורמטיקה, ו-גנטית, כדי ליצור אוטומציה ביולוגית, וחיזוי, מערכות ביולוגיות, כדי ליצור , מערכות , , , חיזוי ביולוגיות, , , , , , , , , כדי ליצור , , , , , , , , , , , חיזוי-Cy, , , , , , , , , , , , , , , חיזוי , , למערכות אוטומציה ביולוגית, , חיזוי, חיזוי, , חיזוי, כדי ליצור חיזוי מערכות חיזוי למערכות חיזוי חיזוי למערכות חיזוי למערכות קומפקטיות קומפקטיות.

עקרונות הליבה כוללים סטנדרטיזציה של חלקים גנטיים (מניעים, אתרי מחייב ribosome, רצף קידוד, מונחיטורים), עיצוב מודולרי המאפשר חלקים להיות משולבים בדרכים צפויות, מחזור עיצוב יזום-בנייה-בוני-בוני-העת-לימודי-מבחן-המחקרים משתמשים בתוכנה ממוחשבת-מידית (CAD) למודל פלוקס, ואז מסונתזת DNA, הופכת אותם לאורגניזמים, והערכה של גישה זו של המיקרו-סיולוגית מאיצה את ההתפתחות המשתנים.

יצירת Custom Microbial Biosynthesis Pathways

מסלולי ביוסינתזה מיקרוביאליים הם רצפים של תגובות ביוכימיות מואצות אשר להמיר תת-סטריטים פשוטים למוצרים מורכבים מקצה לקצה.באופן טבעי מסלולים המתרחשים התפתחו מעל מיליוני שנים, אבל ביולוגיה סינתטית מאפשרת למדענים לעצב ולבנות מסלולים המייצרים מולקולות לא נעשה בטבע, או לייעל מסלולים מקומיים עבור תשואה גבוהה יותר, טיטר ופרודוקטיביות.

צעדים בעיצוב נתיבי ובניה

(FLT:0.1.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.

(FLT:0. Enzyme Discovery ו- Gene Mining.Building.ear.of.10:1 ברגע שהמסלול הפוטנציאלי ממופה, הגנים ⁇ כל אנזים חייב להיות מקורם מאורגניזמים על פני עץ החיים. Metagenomic Library, מסדי נתונים גנום וטכניקות הנדסת חלבון לספק מקור עשיר של מועמדים. Promiscuous אנזימים בלתי רגילים הם בעלי ערך במיוחד, שכן הם יכולים להיות למטרות תגובה ישירה ותגובה אופטית עבור אנזימים ספציפיים.

(FLT:0.3. אסיפה מעגלית גנטית ו-Refactoring.cioFLT:1) הגנים שנבחרו חייבים להיות מקובצים לתוך מעגל גנטי פונקציונלי אשר מוסדר בקפידה.שיטות הייצור סטנדרטיות כגון האסיפה גיבסון, האסיפה שער הזהב, ו- Ligation-Independent Cloning (LIC) מאפשר בנייה יעילה של מסלולים רב-גנטיים. Refactoring כוללת את הרצף הגנטי של הילידים להסרת אלמנטים רגולטוריים שאינם פעילים ומתקדמים לתפקודיים, כדי לקדם את שיטות בקרה דינמית, ולהוביל לשימוש RNAי, ובאופן יעיל.

(ב) (ה) (ה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(FLT:05. Pathway Optimization ו- Flux Balancing.FLT:1 Pathways לייצר לעתים קרובות תשואה נמוכה עקב צווארי בקבוק מטבוליים, חוסר איזון אנזימים, או התערבות רגולטורית.שימושים אופטימיזציה שיטתיים כמו multivariate Modular Path Engineering (MMPE), הפרעות CRISPR (CRISPRi) לדיכוי גנים, ומקדם ספריות בסדר ביטוי של רמות זיהום פחמן (F) באופן טבעי (F) של פחמן (סימולציה אופטית) ו-F)

(FLT:0.6. Scale-Up and Fermentation Development.Build.ve.FLT) 1 זן מעבדה מוצלח חייב להיות מתורגם לתסיסה בקנה מידה תעשייתי.זה כולל קידוד של הרכב התקשורת, pH, טמפרטורה, קצבה, והזנת אסטרטגיות ב bioreactors. תהליכי הנדסה כוללים העברת חמצן, ערבוב, ומניעת התמדה או פרוטוקולים מזין משמשים לעתים קרובות כדי לשמור על צפיפות גבוהה ותקופות יעילות מורחבות.

היתרונות של נתיבי מכס על שיטות מסורתיות

עיצוב מסלולי ביוסינתזה מותאמים מציעה יתרונות משמעותיים בהשוואה לסנתתזה כימית או מיצוי ממקורות טבעיים.

  • (FLT:0) יעילות מוגברת ותשואות גבוהות יותר.IRLT:1 , מסלולים ממונדסים יכול להשיג קרוב לתשואות מקסימליות תיאורטיות על ידי תקשור פחמן באופן בלעדי לעבר המוצר היעד.לדוגמה, שיפור מסלולים עבור 1,4-butanediol ו isoprene השיגו titers מעל 100 / L.
  • (FLT:0) הוצאות הייצור של ההרחבה.FLT:1hilation משתמשת במזונות מתחדשים זולים (גלווז, גליקול, אפילו CO2) ופועל בטמפרטורות בינוניות ולחץ, הורדת עלויות אנרגיה ובירה.הייצור של חומצה ארטמיסיתנית, מבשר ל- Antimalal Drug Artemisinin, הוא דוגמה חשובה: רתום מספק כיום אספקה אמינה, עונתית נמוכה של קצירת צמחי עצמאי.
  • (FLT:0) אצולה לייצר תרכובות חדשות.FLT:1 , שילוב אנזימים מאורגניזמים שונים או הוספת שלבים אנזאומטיים לא טבעיים מאפשר יצירת מולקולות מעולם לא ראו בטבע.זה פותח מרחב כימי חדש לגילוי סמים, חומרים מדעיים וחקלאות.לדוגמה, ביולוגים סינתטיים יצרו משככי כאבים אפיזואידים חדשים וקנבינואידים באמצעות תסיסה מיקרוביאלית.
  • (FLT:0) ייצור ידידותי לסביבה של ההרחבה (Environmentally Friendly Manufacturing) 1 (Bioproduction) מחליף פותרים רעילים, זרזי מתכת כבדים, ותגובות עתיריות עם זרימה מכווצת, מתוססת.
  • (FLT:0) ניתן לבצע גירוד שרשרת של ספוגים וההגינות.FLT:1 פרמנטציה ניתן לבצע באופן מקומי באמצעות ביולוגיים מודולריים, צמצום ההסתמכות על משלוח למרחקים ארוכים והגנה מפני הפרעות גיאופוליטיות.מגפת COVID-19 הוכיחה את הערך של ביומניטור מבוזר לכימיקלים קריטיים כגון חיטוי ואנטי-ויראלי.

יישומים אמיתיים ומקריות

הנדסה מיקרוביאלית המונעת על ידי ביולוגיה סינתטית כבר מהפכה במספר תעשיות.הדוגמאות הבאות ממחישות את רוחב ההשפעה.

תרופות וטיפולים

ייצור תרופות טבעיות מורכבות של מוצרים טבעיים היה סיפור הצלחה גדול. אינסולין היה אחד החלבונים הראשונים של CBD זנים מחדש שנעשו ב FLT:0E. coliveFLT 1 בשנות ה-80, אבל ביולוגיה סינתטית מודרנית הולכת הרבה יותר רחוק.החומרים האנטי-מיליים של תעשיית התרופות האנטי-סימנטלית מיוצרת כיום על ידי שרידים בקנה מידה, הודות לעבודה של איימיס ואוניברסיטת קליפורניה, אשר הופקומטיום, כמו חלבונים אנטי-סיאולימיים, כמו חלבונים כימיים, אשר נוצרו לאחרונה, כמו קוסמטיקה, כמו קוסמטיקה, כמו קוסמטיקה, אשר נוצרו לאחרונה, כמו קוסמטיקה, ומיקרו-סיאולידי קוסמטיקה, כמו קוסמטיקה, אשר הופקוריד, אשר הופקורטיקוליקאימית, לאחרונה, 000, אשר הופקוריד, לאחרונה, לאחרונה, 000, לאחרונה, לאחרונה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, לאחרונה, לאחרונה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, כבר מיוצרתיקים מלאים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של חומרים כימיים מלאים, 000, 000

פיתוח החיסון גם מועיל.הייצור המהיר של חיסונים מ-RNA עבור COVID-19 התבסס על ביולוגיה סינתטית לסנתז ולהרכיב את גן החלבון הספייק, ואת חלקיקים של שומן המשמש למשלוח יכול להיות מיוצר באמצעות טיפולים סרטניים מהונדסים. טיפולים אישיים, כגון קולטנים תאי T-תאים מונדסיים וירוסים על-colytic, הם יותר ויותר מעוצבים באמצעות עקרונות ביולוגיה סינתטית.

דלקים ואנרגיה מתחדשת

נתיבי המכס אפשרו לייצור דלקים ביולוגיים מתקדמים התואמים לתשתיות קיימות.דלקים בעלי יכולת ייצור כגון נזינות (חליפת דיזל) ודסולן הוכחו בהנדסת חשמל:0E. colipheraluseralus 1 ו- Youastris משווקת תערובת דיזל מתחדשת ללא הרף ממרחקים.

מזון, פלאפור, ובושם המרכיבים

טעמים טבעיים ובושם הם ערך גבוה, מולקולות בעלות נמוכה מופקות לעתים קרובות מצמחים נדירים. ביולוגיה סינתטית מספקת חלופה בת קיימא.לדוגמה, וניל (הרכיב העיקרי של וניל) הופקו מצוענים מהונדסים באמצעות חומצה דלקת ריאות תוך מבשרת סגסוגת Steviol (מתיקים מ stevia) מיוצרים כעת על ידי התסיסה של חברות אלה במקום חומצה givaalic).

בתעשיית המזון, ביולוגיה סינתטית יוצרת גם חלבונים חדשים, שומנים וסיבים להחליף מרכיבים בעלי חיים.חלבונים חלביים (במקרה, whey) המיוצרים ב- esast מאפשרים גבינה ללא בעלי חיים ושמנת גלידה. Hemoglobin from soy legumes מובעים ב-FLT:0Pichiaכמרים FLT:1 כדי ליצור צמחיים מבוססי חומצות שומן וטעם Dazy 3 (כבר) הם כבר מ-Dazy) עבור צבע אותנטי (מתאים).

כימיקלים וחומרים תעשייתיים

(ב) כימיקלים של בולק כגון 1,4-butanediol, חומצה סוצ'ינית, וחומצה לקטטית מיוצרים כעת באמצעות תסיסה באמצעות חיידקים מהונדסים.תהליך של Genomatica עבור 1,4-butanediol משתמש ב-FLT:0E. colipherph1 ו-Samssssssssssssssed tothsco-PTM (1,3-propan) נעשה שימוש ב-Folicials.comiolicials: D.comiol, גם ב-FLT2, גם ב-co-D.com, 000, 000, מכיל נוגדנים מבוססי פחמן-FLT2, 000.

חומרים מדע היתרונות מהמסלולים המותאמים אישית המייצרים ביופוחיות ביצועים גבוהים. חלבונים משי עכביש כבר התבטאו בעזות (transgenic) ומיקרובים, מניבים סיבים עם כוח העולה על פלדה. ייצור מיקרוביאלי של משי, אלסטין, ו-Resilin פותח אפשרויות עבור טקסטיל biodegradable ו תבעות רפואיות.

יישומים סביבתיים

מיקרובים יכולים להיות מונדסים כדי להפחית את המזהירים או ללכוד גזי חממה.נתיבים המכסים על מנת לפרק פלסטיק (PETase, MHETase אנזימים) היו מוטבים במערכות חיידקיות, המאפשרים את מחזור של בקבוקי PET בחזרה למונומרים. בדומה, מיקרואורגניזמים מהונדסים ממונדסים יכולים להמיר את מתאן, שכפול פורמלי, או CO2 יקר לכימיקלים באמצעות מחזור הדם האמיתי של אורכי מים, או דרך מחזורי עץ הרחם, אשר מאפשר גם כן, כדי לזהות מתכות כבדות, או ביולוגיה כבדה.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות יוצאת דופן, התחום של מסלולים ביוסינתזה מיקרוביאלית מותאמים אישית עומד בפני כמה אתגרים שיש להתגבר עליהם על אימוץ תעשייתי נרחב.

היפוצים הטכניים

(FLT:0) נטל ו רעילות.BuildFLT:1 ; ביטוי ברמה גבוהה של אנזימים זרים והצטברות של מטבוליטים ביניים יכול להדגיש את התא המארח, להפחית את הצמיחה והפרודוקטיביות. Pathway ביניים או המוצר הסופי עשוי להיות רעיל, הדורש את ההנדסה של משאבות ® efflux או התאליזציה.

(FLT:0)Low ראשוני מניבה.FLT:1, מסלולים סינתטיים רבים מייצרים רק מיקרוגרם או מילימטרים סכומים בתחילה. Scaling ל- titers תעשייתיים דורש אופטימיזציה נרחבת, אשר הוא זמן-consuming ויקר.באמצעות בדיקות חישוב גבוה, למידת מכונה עבור חיזוי אנזימים, ואוטומציה מעבדה מאיצה את מחזור האופטימיזציה.

(FLT:0) המורכבות של מסלולי מוצר טבעיים.Builds.veFLT:1) מוצרים טבעיים בעלי ערך גבוה רבים כרוכים בעשרות שלבים אנזומטיים ודורשים שינויים לאחר המעבר או הייחוד תת-תאי.צמחים מכילים לעתים קרובות צינורות membrane-bound cytochrome P450s כי הם קשים לבטא בחיידקים.

אתגרים רגולטוריים וציבוריים

אורגניזמים מהונדסים גנטית עומדים בפני פיקוח רגולטורי קפדני במדינות רבות.ה-EPA, FDA ו- USDA סוקר מוצרים ממיקרובים מהונדסים, בעוד תקנות GMO של האיחוד האירופי הן מחמירות במיוחד.תהליכים אישוריים יכולים להיות ארוכים ויקרים, במיוחד עבור אורגניזמים שנועדו לשחרור פתוח (למשל, עבור ביו-מדיה).

נושאים של קניין רוחני מתעוררים, כמו גם רבים כלים ונתיבים ביולוגיה סינתטיים בסיסטיים הם פטנטים. חברות חייבות לנווט נופים מורכבים של רישוי, אשר יכול לעכב חדשנות, במיוחד עבור סטארט-אפים. Open-source ביולוגיה סינתטית יוזמות, כגון הרישום של חלקים ביולוגיים סטנדרטיים, במטרה לדמוקרטי גישה לחלקים גנטיים.

אופקים עתידיים

[העשור הבא] מבטיח התקדמות משתנה:0 [הנדסה בקנה מידה] הנדסה בקנה מידה גדול של הנדסת חשמל 1 יאפשר עריכה בו זמנית של מאות גנים ליצור חיססד ייצור זרם:2 מ"מממ"ד:2 מ"ממ למידה 3DLT 3 (משנת 3) יאפשרו לנבא מחזורי דחיסות אופטימליים ועיצובי אנזימים, 6, באופן דרסטי, ירידה בביולוגיה נטולת-תרגול ניסויים וטרור.

(הרחבה:0) הרחבת הקוד הגנטי של LT:1הה עם חומצות אמינו לא סטנדרטיות תאפשר יצירת חלבונים ו peptides עם תכונות חדשות, פתיחת כיתות חדשות לחלוטין של מוצרים כגון חומרים ביואורטוקונים וחלבונים טיפוליים עם תוחלת חיים ממושכת.FLT:2 גנום מינימלי של גנום 3 (למשל, JC-VIRS) ללא הפרעות ריקות.

(FLT:0) biomanufacturingsFLT ( 1:1) הוא גבול גדל.תמונותynthetic חיידקים ו microalgae יכול לייצר כימיקלים ישירות מ CO2 ושמש, המציע נתיב פחמן-שלילי. Offshore bioreactors צף בחוות אצות המדבר יכול לייצר דלקים וכימיקלים עם מים מתוקים מינימליים ושימוש קרקעיים, בדומה למפעלים מעוגלים, אשר עשויים להיות מגזימים, או לייצר רקמות פלסטיק, אשר הם משגשגים, או משגשגים, אשר הם גם מפעלים דיגיטליים.

(FLT:0) ביותרפיסטים אישיים של טיפול תרופתי (FLT:1) יהפכו נפוצים יותר כמו ביולוגיה סינתטית מאפשרת ייצור על פי דרישה של טיפולים ספציפיים לחולה.דמיין תסיסה בצד מיטה המייצרת פטיד מותאם אישית או RNA טיפולי מבוסס על הגנום של המטופל, מתן תרופות מדויקות מהר יותר וזול יותר מאשר ייצור מרכזי.

השילוב של ביולוגיה סינתטית עם ייצור דיגיטלי, בינה מלאכותית ו-CRISPR ימשיך להאיץ את מחזור הניסויים בעיצוב-בבני.כפי שעולה של סינתזת DNA וירידה בריצוף, החסמים להפחתה של שחקנים חדשים, מה שמוביל להפצת סטארט-אפים המתמקדים במולקולות ויישומים ספציפיים.הביו-אקונומיה העולמית צפויה לגדול מ-4 טריליון דולר ל-30 טריליון דולר עד שנת 2050, עם מפתח המאפשר טכנולוגיה.

מסקנה

ביולוגיה סינתטית כבר הוכיחה את כוחה ליצור מסלולים ביוסינתזה מיקרוביאליים אשר לטפל בצרכים קריטיים ברפואה, באנרגיה, בחומרים ובסביבה. על ידי טיפול בתאים חיים כ-Associal, מדענים יכולים לעצב ולבנות מסלולים מטבוליים כי החוצה את הטבע ביעילות, ספציפיות, וקיימות.

ההשקעה המתמשכת בכלים יסודיים, מסלולים רגולטוריים, וחינוך ציבורי יהיה חיוני כדי לפתוח את מלוא הפוטנציאל של הטכנולוגיה הזו.עם ניהול קפדני, ביולוגיה סינתטית יכולה לעזור לנו לייצר את המוצרים שאנו צריכים תוך צמצום טביעת הרגל האקולוגית שלנו ולבנות כלכלה גלובלית יעילה יותר, שוויונית, בת קיימא.

(ב) לקרא נוסף, לחקור את המחקר הביולוגי הסינטטי של הטבע (FLT:2a מקיף סקירה מקיפה על הנדסה מטבולית FLT 3: ו-FLT:4the US Department of Energy's סינתטית תוכנית ביולוגיה של אנרגיה:5.