Table of Contents
עלייתם של מיקרוביאל נוטריטיס
במשך עשרות שנים, ייצור ויטמינים וחומרים מזינים חיוניים הסתמך רבות על סינתזות כימיות או מיצוי ממקורות צמחיים ובעלי חיים.עם זאת, ההתכנסות של genomics, הנדסה מטבולית, וביולוגיה סינתטית פתחה גבול חדש: באמצעות חיידקים חיים כמו ביו-ספקים זעירים.מדענים הם כיום מיקרואורגניזמים הנדסיים לייצר ויטמינים חיוניים וחומרים מזינים בעלי יעילות חסרת תקדים, המציעים אלטרנטיבה בת קיימא, מדרגית, וחסכונית לשיטות מסורתיות.
הכוח של ביוסינתזה חיידקית הוא הכימיה של הטבע.מיקרובים רבים כבר יש את המכונות הגנטיות לייצר ויטמינים כמו riboflavin, folate, ו- B12 כמו metabolites משניים. על ידי חידוש מסלולים אלה, החוקרים יכולים להגביר את התשואות, להציג תרכובות חדשות, ואפילו ליצור מולקולות תזונתיות חדשות לחלוטין.
ארכיון התגים: From Fermentation to Precision Bioengineering
בני האדם רתמו במשך זמן רב ⁇ להטבות תזונתיות.מזונות מעובדים – מזון מנווט, קיצ'י, טמפה – מכילים באופן טבעי חיידקים המייצרים ויטמין.אבל שיטות מסורתיות אלה היו מוגבלות בקנה מידה ומפרט.הקפיצה העיקרית הראשונה התרחשה בשנות ה-40 כאשר מדענים מבודדים ויטמין B12 מחיידקים שנמצאו באדמה.גילוי זה הוביל לתהליכי התריסה תעשייתיים שכיום רפרטואר של עולמות, אך מוקדם יותר, מאפשר שיטות איטיות יותר, עם נטיות טבעיות, עם נוקשות יותר, עם פשטות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, עם נטיות גבוהות יותר, כאשר מדענים, כאשר מדענים
אבני דרך חשובות כוללות את הפיתוח של טכנולוגיית DNA חוזרת בשנות ה-70, את הריצוף של גנום חיידקי בשנות ה-90, ואת הופעת CRISPR-Cas9 בשנות ה -2010.כל התקדמות הפכה את זה קל יותר לזהות שלבים כפליים במסלולים מטבוליים ולהכניס או לשנות גנים עם דיוק כירורגי היום, אחד ממונדסים:0Esischesirsrichaflius מספר פעמים: 1Ferus).
תפקידה של Bacteria בייצור תזונתי
(בקטריה מתאימה באופן אידיאלי לביוסינתזה בגלל הצמיחה המהירה שלהם, גנטיקה פשוטה, ומטבוליזם מגוון רחב.מינים רבים מייצרים באופן טבעי ויטמינים כחלק מההישרדות שלהם - למשל, FLT:0Propioni חיידק פרודמיציק (EcreicherichiiFLT) ו-FLT:2Lactcillus plantarumFallus מייצרת 3 פונקציות גבוהות של אנזימים, אפילו ממיקרו-xolexolexolus, כמו אורגניזמים אחרים, אשר עלולים, כמו גם ממריצים, כמו אורגניזמים אחרים, ו-folexolexitolexerto-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-
יתר על כן, חיידקים יכולים להיות מונדסים לייצר חומרים מזינים כי הם בדרך כלל בקושי בתזונה מבוססת צמחית.לדוגמה, ויטמין B12 הוא כמובן נעדר מצמחים, מה שהופך צמחונים וטבעונים פגיעים למחסור. חיידקים ממונדסים מציעים מקור ידידותי טבעוני, באופן דומה, ויטמין D2, אומגה 3 חומצות שומן, ו carotenoids כמו מסטקס יכול להיות מסונתז מיקרובי, מתן חלופות לגרסאות כימיות בעלי חיים או כימיקליות.
חומרים מזינים ספציפיים המיוצרים על ידי מהנדס Bacteria
ויטמין B12 (Cobalamin)
(ב) ויטמין B12 הוא אחד המולקולות הטבעיות המורכבות ביותר, הדורש מעל 30 שלבים אנזימים עבור סינתזזה (באופן מסורתי, ייצור תעשייתי מבוסס על FLT:0PropionimicilFLT:1 או FLT:2Sinorhizobium melilotilotilotilotiFLT 3 LT: 3 ההתקדמות בביולוגיה סינתטית אפשרה העברת מסלול שלם ל-F12 באופן יעיל יותר ל-R.
Folate (Vitamin B9)
מחסור בפוט במהלך ההריון קשור למומים עצביים של צינורות. חיידקים חומצה לקטית (LAB) המשמשים במוצרי חלב מותסים באופן טבעי לייצר חומצה פולית.על ידי ביטוי גנים במסלול הביוסינתזה, מדענים יצרו זנים LAB המייצרים עד עשר פעמים את הכמות הרגילה. תרבויות אלה ניתן להשתמש ישירות יוגורט או ייצור, המציעה אסטרטגיה זיהוי טבעי כי נמנעים מתוספים סינתטיים.
ריבאולבן (Vitamin B2)
ייצור ריאלי כבר עבר מסנתולוגיות כימיות לתסיסה מיקרוביאלית, בעיקר בשל הנדסה FLT:0Bacillus subtilissFLT:1 על ידי החלפת מקדם הילידים של ה- riboflavin operon עם מקדם חזק חוקתי, מניב מעל 15 g / L הושגו זה הצלחה להוכיח את הפוטנציאל המסחרי של ויטמין דינמי אחר מספק ויטמין דינמי ומודל אחר.
Biotin (Vitamin B7)
ביוטין חיוני לסינתזה של חומצה שומנית ומטבוליזם גלוקוז. E. coliveFLT:1 הונדס לייצר ביוטין על ידי פיזור מעכב משוב שבדרך כלל מגביל את הביוסינתזה שלו.Overexpression של FLT:2bioABFCDFLT 3 ron ושיבוש של המדכאת הביו-tinor בדרך כלל מגביל את הביוסינתזה שלה.
ויטמין C (Ascorbic Acid)
ויטמין C מיוצר בדרך כלל באמצעות תהליך הריינשטיין, המשלב סינתזה כימית עם תסיסה מיקרוביאלית.חוקרים פיתחו נתיבים מיקרוביאליים מלאים באמצעות הנדסת FLT:0Gluconobacter oxydansFLT:1 ו-FLT:2Saccharomyces cerevisiaeFLT 3 (מזרחי, לא חיידקים רלוונטיים, אלא חלופות אלה).
טכניקות המשמשות בהנדסת Bacterial
הנדסה מטבולית מודרנית מעסיקה חבילת כלים כדי להפוך חיידקים למפיקי ויטמין יעילים.טכניקות אלה ממשיכות להתפתח, ומאפשרת השקיה מהירה יותר ועיצובים מורכבים יותר.
ג'ין אדיס: המהפכה CRISPR
מערכות CRISPR-Cas9 מאפשרות לחוקרים ליצור שילובים מדויקים, מחיקתים, והחלפת גנום חיידקי.בניגוד לשיטות ישנות יותר שתמכו על mutagenesis אקראי, עריכת CRISPR יכולה לכוון גנים ספציפיים המעורבים בסינתזה של ויטמין.לדוגמה, מחיקת מסלולים מתחרים (למשל, אלה כי סימפוניות מייצור ויטמין) יכולות להגדיל באופן דרמטי גנים יכולים להיות מוזנים (בנוסף לאבחון מחדש) ללא הפרעה (CRIS) באופן קבוע.
אופטימיזציה של Metabolic Pathway Optimization
מעבר לעריכה גנים בודדים, מדענים מתחדשים רשתות מטבוליות שלמות.זה כולל:
- (ב) ,0) איזון:0 (Flux Balance:FLT:1) מכוונן רמות ביטוי אנזימים כדי להבטיח זרימה חלקה דרך המסלול ללא צווארי בקבוק.
- (FLT:0) הנדסה מספקת:001 משנה את הזמינות של קוצים (NADH, ATP וכו ') שמניעה את סינתזה של ויטמין.
- (FLT:0)Compartmentalization:FLT:1 Engineering חיידקי מיקרוקומבות לרכז אנזימים ובינוניים, צמצום הרעילות ותגובות צד.
מודלים מטבוליים, כגון מודלים בקנה מידה גנום (GEMs), מאפשרים תחזית חישובית של דפיקות גנים אופטימליים ומטרות ביטוי יתר.זה בעיצוב סיליקו מאומת במעבדה, ובכך מאיץ את מחזור הפיתוח.
ביולוגיה סינתטית: בניית נתיבים חדשים
במקרים מסוימים, הטבע אינו מספק נתיב יעיל לביולוגיה סינתטית הרצויה.
התפתחות ישירה
כדי לשפר את פעילות האנזים או יציבות, אבולוציה מכוונת נושא גן לסבבים של מוטציות אקראיות ובחירה.טכניקה זו שימשה לפיתוח אנזימים שיכולים לסבול ריכוזים תת-קרקעיים גבוהים יותר או לפעול בטמפרטורות גבוהות, שניהם מועילים לתוססת תעשייתית. בשילוב עם בדיקות מהירות, מכוונות האבולוציה משפרות במהירות את הביצועים של צעדים הפחתה בקצב בביוסינתזה.
יישומים והטבות
ייצור חיידקי המונדס של ויטמינים יש יישומים רבים בעולם האמיתי, ממזונות מחלחלים לייצור תוספי מזון באופן אמין יותר.
מזון פורטבציה
תוספת ישירה של חיידקים מהונדסים - חיים או לא מעורבים - מוצרי מזון מציעה אסטרטגיה של זיהוי טבעי.לדוגמה, מתחילים יוגורט המכילים FLT מהונדסים:0Lactocococococcus lactisFLT:1 כי overproduce folate יכול לספק רמות ויטמין מוגברות ללא שינוי טעם או מרקם באופן דומה, דגני בוקרים וחלבונים המבוססים על צמחי יכול להעשיר עם גישה זו:2Factust במיוחד עבור אזורים רגולטוריים.
תוספי ויטמינים
שוק תוספי התזונה הגלובלי עולה על 150 מיליארד דולר בשנה.רוב הויטמינים עדיין מיוצרים באמצעות סינתזה כימית או מיצוי, שניהם יש עקבות סביבתיות. Bacterial תסיסה מציעה אלטרנטיבה ירוקה יותר: הוא משתמש במזונות מתחדשים, מייצר פסולת מינימלית, ופועל בטמפרטורות מטבוליות ולחץ. חברות כמו DSM, BASF, ו- אג'ינומוטו כבר להשתמש בתסבת עבור riblavin ו- B12.
מזון בבעלי חיים
Livestock דורש ויטמינים משלימים כדי לשמור על בריאות ופרודוקטיביות. ביוסינתזה Bacterial ניתן להוסיף להאכיל בעלות נמוכה יותר ועם טוהר גבוה יותר.לדוגמה, riboflavin המיוצר על ידי FLT:0Bacillus subtilisFLT:1 הוא עכשיו סטנדרטי להאכיל עופות.
פרוביוטיקה ובריאות האדם
יישום מבטיח נוסף הוא שימוש פרוביוטיקה ממונדסת לייצר ויטמינים ישירות בתוך הגוף האנושי.לדוגמה, זנים של FLT:0LactobacillusFLT 1 או FLT:2BifidoFLT 3LT כי המעי הגס את המעי יכול להיות שונה כדי לתקן את ה- B12 ברציפות, לפעמים נקרא "חיים של מוצרי הביו-רפואי", יכול לעזור עם סימפטומים מוקדמים של אפילפטיים, אך עדיין עלולים להיות מפגעים, אך ורק בתסמינים גנטיים.
אתגרים וכיוונים עתידיים
למרות ההתקדמות המדהימה, יש להתגבר על כמה מכשולים לפני חיידקים מהונדסים להיות מקור עיקרי של תזונה.
« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «
מיקרואורגניזמים מהונדסים גנטית (GMMs) עומדים בפני בדיקה רגולטורית מחמירה במדינות רבות. באיחוד האירופי, למשל, אישור למזונות חדשים המכילים GMMs דורש הערכות בטיחות נרחבות. בארצות הברית, ה-FDA מעריך מוצרים כאלה על בסיס מקרה לפי מזוודה תחת תהליך הודעה המוכר באופן כללי כ- Safe (GRAS).
בטיחות הציבור והסכמה ציבורית
דאגה ציבורית לגבי GMOs נותרה גבוהה, במיוחד באירופה חברות צריכות להשקיע בתקשורת שקופה והערכות סיכון יסודיות לבניית אמון.אמצעי בטיחות מרכזיים כוללים שימוש בזנים לא-פתניים לייצור, תכנון מנגנוני המכילות ביו (כגון סמנים של uxotrophic הדורשים מזין חיצוני לשרוד), ולהבטיח כי המוצר הסופי אינו מכיל תאים מהונדסים גנטית.
החיים והשישים
ויטמינים המיוצרים בתוך חיידקים עשויים לגרוע במהלך אחסון או לאחר עיבוד טכנולוגיות אנפסציה, כגון ריסוס יבשה עם ציפויים מגן, יכול לעזור לייצב את המוצר הסופי.בנוסף, חיידקי הנדסה לייצר אנלוגיות ויטמין חזקות יותר (למשל, צורה יציבה של B12 במקום יותר מעבדה אחד) יכול לשפר את חיי המדף.
עלויות ועלויות
בעוד תסיסה היא סקאפית, השגת תשואה גבוהה בנפח תעשייתי עדיין מאתגרת.ייצור ויטמין בקנה מידה מעבדה (מילרמות לליטר) לעתים קרובות לא מתרגמת בקנה מידה תעשייתי (גרם לליטר) בשל מגבלות העברת חמצן, הצטברות לוואי, ונטל מטבולי.התקדמות בעיצוב ביולוגי, אסטרטגיות דיזל-באט, ותסיסה רציפה יכולה גם להתחרות עם תהליכים כימיים - לדוגמה, מחיר קמעונאי של 2 ק"מ"מ, הוא על רמה של 2 ק"מ.
כיוונים עתידיים: הגבול הבא
תחום הביוסינתזה של חומרים מזינים חיידקיים מתקדם במהירות.כמה מגמות מתעוררות מבטיחות להרחיב את השפעתה.
תזונה אישית באמצעות המיקרוביום של Gut
כפי שאנו מבינים את המיקרוביומה של המעי להעמיק, מדענים לדמיין חיידקים הנדסיים commensal לייצר תערובת אישית של ויטמינים המותאמים לצרכים של הפרט.למשל, מישהו עם גרסה גנטית שפוגעת ספיגה פולית יכול להפיק תועלת פרוביוטית שמזנתזנת את הלכלוך באופן מקומי במעי. גישה אישית זו ניתן להעביר באמצעות מערכי חיידקים מחוסנים רק כאשר הם מגיעים לקור.
ייצור תזונתי משולב
זנים עתידיים עשויים לייצר ויטמינים מרובים בו זמנית, יצירת "מפעלים מוגרביים" במיקרובים יחיד. על ידי איזון הביטוי של מסלולים עבור B12, folate, ו ביוטין, החוקרים יכולים להפחית את מספר הזנים הדרושים להתאמה, לפשט תהליכי רגולציה וייצור.
שימוש בפסולה כ- Feedstock
כדי לשפר עוד את הקיימות, חיידקים יכולים להיות מונדסים לצרוך זרמי פסולת - כגון גליגליקול מייצור ביודיוזל, whey מייצור גבינה, או ביומסה ליגנולוסית - כמו מקורות פחמן.זה "ביו-כלכלה מעגלית" גישה לפסולת בעלת ערך נמוך לתוך חומרים מזינים בעלי ערך גבוה, צמצום עלויות הייצור והזיהום הסביבתי.
שילוב עם חקלאות סלולרית
חיידקים מהונדסים יכולים לשמש גם לייצור ויטמינים עבור בשר מתרבות תאים ומוצרי חקלאות סלולריים אחרים.מערכות אלה דורשות לעתים קרובות ניסוחים מורכבים של מדיה; ביולוגי חיידקי יכול לספק ויטמינים על פי דרישה, מה שהופך ייצור בשר תרבותי יותר כלכלי ובר קיימא.
מסקנה
הנדסה של חיידקים לוויטמינים חיוניים ומזינים מגוונים מייצגת שינוי פרדיגמטי באופן שבו אנו מייצרים אבני בניין של בריאות האדם.על ידי רתום הכוח המטבולי של ⁇ , אנו יכולים ליצור מקורות בר קיימא, מדרגים וזמין של חומרים מזינים חיוניים.בעוד אתגרים בתקנה, בטיחות, ועלויות להישאר, ההתקדמות שנעשתה בעשור האחרון היא לא קצרה של השקעה מתמשכת ומעורבות ציבורית, טכנולוגיה זו יכולה לשחק תפקיד מרכזי של מזון זעיר יותר, כיום, קריסת, קריסת, קריסת, קריסת, עול של מפעלים חקלאיים, יותר, יותר, יותר, יותר, ועלויות, כיום, יותר, יותר, יותר, יותר, היא מערכת חקלאית של תעשיית המזון הפחתת כוח חיים, יותר, יותר, יותר, היא יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, היא לא פחות יעיל יותר, כמו גם כן, יותר, כוח יעיל יותר, יותר, עם המשך השקעה מתמשכת, כוח חיים של תעשיית המזון החקלאית, כיום, יותר, עם המשך, עם המשך השקעה מתמשכת, עם המשך פעילות גופנית, יותר, עם המשך השקעה מתמשכת, עם המשך, עם המשך פעילות גופנית של תעשיית המזון החקלאית, עם המשך, היא יותר, היא יותר, היא יותר, היא לא פשוטה יותר, היא יותר, עם המשך
(ב) [ה]: [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]], [ה]], [ה]], [ה]]]], [ה], [ה], [הטבע] ב-[[הטכנולוגיה] ב[[המאה ה-[[173]],]], ו[[המאה ה-[[1924]],]],]],]], [[המאה ה[[1924]],]],]],]], [[המאה ה[[1924]], [[1924]],]],]], [[1924]],]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]],]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[19