L'influenza del disegno del circuito genetico sui percorsi di produzione biochimica

Cosa sono i circuiti genetici?

I circuiti genetici sono collezioni di sequenze di DNA, che comprendono in genere promotori, regioni di codifica, siti di legame ribososo e terminatori, che insieme si comportano come un sistema di logica ingegnerizzato.

Un semplice esempio è un interruttore “on-off”: un promotore che viene normalmente represso può essere rilasciato aggiungendo una molecola inducer, che porta all’espressione di una proteina di destinazione. I circuiti più complessi incorporano loop di feedback positivi e negativi, motivi di alimentazione-forward e strati di regolazione multipli. La sofisticazione di questi disegni determina direttamente come un host microbico possa essere trattato in modo specifico.

Componenti core che Drive Circuit Behavior

Ogni circuito genetico si basa su una manciata di parti standard, la comprensione di questi componenti è essenziale per apprezzare come il design del circuito influisce sulle vie di produzione:

• Promotori e Ribosome Binding Sites (RBS):[] La forza del promotore determina quanto spesso la polimerasi RNA inizia la trascrizione; la forza RBS governa l'iniziazione della traduzione.
• Repressori e attivatori:[] proteine regolamentari come TetR, LacI o AraC rispondono a piccole molecole (induttori) e bloccano o migliorano la trascrizione.
• Terminatori Trascrizionali:[] La corretta terminazione impedisce la lettura attraverso i geni a valle ed è fondamentale per l'isolamento dei moduli di circuito l'uno dall'altro.
• Degradation Tags:[] L'approvazione di sequenze brevi a proteine o mRNAs può controllare la loro emivita, permettendo il controllo dinamico degli intermedi di percorso e impedendo l'accumulo tossico.
• Sensori di risposta allo stato di segnale:[[] I sensori ingegneri rilevano pH, ossigeno, luce o metaboliti specifici e convertono queste informazioni in un'uscita di espressione genica, consentendo un feedback in tempo reale sullo stato del percorso.

Come si disegna il circuito Rimovimenti di produzione biochimica

Il collegamento tra progettazione e produzione biochimica è diretto: ogni enzima in un percorso è sotto controllo trascrizionale o traduttivo, e questo controllo è ciò che un circuito genetico fornisce. Con un'orchestrazione accurata quando e quanto di ogni enzima è fatto, gli ingegneri possono raggiungere risultati difficili o impossibili con espressione statica, costitutiva.

Miglioramento del rendimento tramite il regolamento dinamico

Uno dei più potenti usi dei circuiti genetici è regolazione dinamica dei livelli degli enzimi. In molti percorsi naturali, il flusso è limitato perché un enzima precoce produce un intermedio tossico se sovraespresso, o un enzima tardivo è troppo lento. Un circuito di feedback può percepire la concentrazione di un percorso intermedio e regolare l'espressione a monte o a valle di conseguenza.

Riduzione dei rifiuti e dei sottoprodotti

Le reazioni collaterali indesiderate sono una fonte importante di inefficienza nella fermentazione industriale. I circuiti genetici possono essere utilizzati per percorsi concorrenti[[]] su richiesta. Un design tipico utilizza un reprimotore, sensibile alla presenza di un prodotto desiderato, per chiudere un percorso concorrente quando il prodotto è abbondante. Quando il prodotto è scarso, il circuito de-riprende le risorse disfruttamento della biomassa permettendo divertimento metabolico riducendo le risorse di risorse di ritorno

Migliorare la stabilità di produzione nel tempo

I bioprocessi industriali spesso funzionano per giorni o settimane. Durante quel periodo, le cellule mutano, i promotori possono essere silenziosi da cambiamenti epigenetici e le condizioni ambientali fluttuano. I circuiti genetici possono essere progettati per essere **robusti a tali perturbazioni**. Un loop negativo-feedback che mantiene una concentrazione interna costante di un regolatore chiave, per esempio, può bufferare contro i cambiamenti in numero di copia plasmid o condizione di alimentazione.

Topologie di circuito classico utilizzate in produzione

Diversi progetti di circuiti canonici hanno dimostrato particolarmente utile nella produzione biochimica, e ogni topologia offre una capacità di controllo unica:

Il commutatore di Toggle

Originariamente sviluppato da Gardner, Cantor e Collins nel 2000, il commutatore di gioco è composto da due promotori repressivi disposti in un loop di repressione reciproca. Il circuito può esistere in uno dei due stati stabili (alta espressione del gene A, basso del gene B, o viceversa). In un contesto di produzione, una volta che le risorse sono invertite, l'ingegneria può cambiare una cellula tra uno stato di “crescita” (dove le risorse vanno alla biomassa) e uno stato di “invertito” (inverso (in cui le risorse si è stata raggiunta la crescita metabolica).

L'Oscillatore (Repressilator)

Mentre gli oscillatori sono famosi per la creazione di modelli di espressione genica periodica, hanno anche un posto in produzione. Creando un rilascio pulsale di un intermedio tossico, un oscillatore può impedire all'intermedio di accumularsi a livelli inibitori mentre ancora guida il flusso complessivo alto. Ad esempio, nella produzione del precursore della chemioterapia paclitaxel, un repulcipatore può controllare la tempistica di un enzima P450 limitatore citocromo, evitando lo stress cellulare.

Filtri per il passo

Un circuito di passaggio a banda attiva l'espressione solo quando una concentrazione di input rientra in una finestra specifica. Questo è particolarmente prezioso per le vie di produzione dove una concentrazione intermedia deve essere mantenuta entro un range ottimale stretto. Se l'intermediario va troppo alto, il circuito riduce l'espressione dell'enzima a valle; se scende troppo basso, aumenta l'espressione. Questo controllo omeostatico è stato dimostrato in ] E. coli[FLT: 1]]]] per la produzione mevalonate e la produzione è.