Giriş: Mikrobial Fermentation Rönesansı

Mikrobiyoloji, son yıllarda, sentetik biyoloji, metabolik mühendislik ve makine öğreniminin bir araya gelmesi nedeniyle, 1940'larda enzimlerin modern üretimine (Döneticilerin, biyoyakıtların ve lezzet bileşikleri) zarar veren bir platform haline geldi.

Bu makale, bu yenidennaissance'yı yönlendiren en önemli ilerlemeleri araştırıyor ve teknolojilerin izin verdiği anahtarı inceler ve şimdi mikropiyal fermentasyon yoluyla erişilebilen karmaşık doğal ürünlerin yeniden adlandırılmasını vurgulamaktadır. Ayrıca, hücresiz ve situ yaklaşımlarının ortaya çıkışı ve sahadan önce akademik kanıt-konomiye göre yol açıyor.

Tarihsel Context ve Modern Fermentation Platform

Son yeniliklere rağmen, mikropiyal sinüslerin DNA'sını (örneğin) ve poliküre sinerjik (PKS) ve nonriboli[FLT) gen kümelerinin DNA'sını sağlamadığını anlamak faydalı olacaktır.

Modern fermentasyon platformu dört sütunu birleştirir:

  • [FONT:0]Host çeşitlendirme[[Dönetici:0)[Dönetici:0)) ve maya, sinerik mantarlar ve hatta mammalian hücreleri içerir.
  • [FONT:0)Genome madenciliği[[Döneticileri kullanarak sessiz veya şifreli biyolojik gen kümelerini (BGCs) çevresel DNA ve metajenomes'ten keşfetmek için biyoinformatikler kullanın.
  • [FONT:0)Pathway refaksiyon[[DÜT:1): BGC'nin genetik mimarisini çift düzenleme, ifadeyi geliştirmek ve geri bildirim engelleyicisini ortadan kaldırmak.
  • [FONT:0)Process intensification[[DÜT:1): situ ürün kaldırma, sürekli beslenme ve gerçek zamanlı analizleri en yüksek hacim verimliliğini artırmak için.

Bu elementler birlikte, mikrobiyal ürünlerin üretimini klinik deneyler için miligramlardan gelen ölçeklerde ürün üretimine mal kimyasalları için toplanlar sağlar.

Genetik Mühendisliği: Gen Cluster'tan CRISPR-Enabled Design

CRISPR-Cas9 ve Ötesi: Biyosif Pat yollarının İncelenmesi

CRISPR-Cas9'un gelişi, araştırmacıların ürüne doğru yönlendirmelerine izin veriyor.[16] Tüm BGC'ler, heterolog genlerinin tanıtımı değil, ancak yeni bir ev sahibi CRISPR araçlarına ilişkin ifadelerinin optimizasyonuna izin veriyor.[DÜcretsiz: 0:2]

Metabolic Pathway Optimizasyon ve Modüler Mühendislik

Gen düzenlemenin ötesinde, metabolik yol optimizasyonu sistemleri biyoloji ve sentetik biyolojiyi sağlam, yüksek kaliteli yol yolları oluşturmak için kullanır:

  • [FONT:0]Dynamic yönerge[[Dynamic yönerge[[DDDynamic”): Proleksiyona yanıt veren biyosensors inşa etmek, toksik ortaların inşasını önlemek.
  • [FONT:0]Scaffolding[[DÜDÜT:1): Kanal ortalarına kadar enzimleri birbirine bağlayan ve difüzyon nedeniyle kaybı azalt.
  • [FONT:0]Compartmentalization[[Dönetici: Mühendislik üretimi organelles (e.g., peroxisomes in maya) rekabet eden hücresel süreçlerden ayrı biyosif adımlar.
  • [FOPHT:0)Kofaksiyon mühendisliği[Dönetici: NADPH, ATP ve diğer kofaklar enerji yoğun biyosyntezleri desteklemek için.

Bir dönüm noktası, bitki, bakteri ve mayadanların üretiminde, her dört segmentin modüler olarak optimize edilmesidir (Dönetici, kodine) mühendisi tarafından yapılan vebaine-morine dönüşümün montajını gerektiren (araştırmacılar, dört kişilik bir ara segmentte ilk kez normal olarak optimize ederler.) Bu çalışma, reticuline dal, morfin yolu ve morphin-to-morphine dönüşümün (aratıcı enzimleri)

Gelişmiş Fermentation Hosts: BeyondurFLT:0)E. coli[[Döntilmişler ve [[Dönemliler:2)

[FONT=0)E. coli[[Dönetici: 1 ) ve fırıncının mayınları, her zaman karmaşık doğal ürünler için en iyi seçimdir. Birçok poliketides ve nonribozoal peptidler post-translational değişiklikler gerektirir (glycosylation, hidroxylation, tilation) Sonuç olarak, alan, üretim ev sahipliğinin büyüyen portföyünü kucaklamaktadır:

  • [FONT=0]Streptomices[[Dönetici: 1 ) Tür: Birçok antibiyotik kaynağı, bu tür sincaplar ilk önce mayalarda sağlam tip I ve tip II PKS sistemlerine sahiptir ve bu yüzden karmaşık metabolitler üretmekte son derece başarılıdır. Dönüşümle ilgili son gelişmeler[TAR) klonlama, tüm ifadelere izin verir.
  • [FONT:0)Filamentous fungi[Döneticiler[Döneticiler:0))[Döneticiler[Döneticiler ve kimliksizler için mükemmel bir şekilde)[Döneticiler ve iyi gelişmiş homologlar ile birlikte, iyi niyetli rekombinasyon ve salgılama sistemleri.
  • [FONT:0)Pichia papazı (Komagataella phaffii))[Dönetici: mol üzerinde yüksek hücre yoğunluğuna büyüyen ve bitki külçeleri üretimi için giderek daha fazla kullanılır.
  • [FONT:0)Cellulomonas[[DÜT:1) ve [[Dönemli:2) Tür: Mikrobiyal peptidlerin üretimi ve lantibiyotiklerin üretimi için ürün formlarının azaltıldığı için araştırın.
  • [FONT:0)Rhodococcus[[Dönetici:2) ve [[Döneticiler[Döneticiler)[Döneticiler ve plastikler gibi ucuz yemlemeler için inceler.

Her ev sahibi eşsiz yetenekler getiriyor –)Streptomices[[Döneticiler için) karmaşık cyclizasyon için, hedef bileşiklerin belirli gereksinimlerine göre, özellikle de moleküler ağırlık, fonksiyonel grup sorumluluğuna ve yerli veya mühendise ait işlemlere ilişkin kullanılabilirlik.

Uygulamaları: Kompleks Doğal Ürünlerin Yeni Bir Nesili

Kompleks Antibiyotikler: Altın Çağı Yeniden Keşfedin

Antibiyotik krizi, 1950'lerde terk edilmiş olan doğal antibiyotik üretme konusunda yenilenen ilgiyi artırdı –70'ler çünkü sentez veya ekstrak için çok zorlardı. Microbial fermentation şimdi bu molekülleri yeniden sigortaya sunan bir yol sunuyor.

  • [FONT:0]Dapt Dafa[[Dönetici: 1) ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] Ticari üretim, [[Döneticileri tarafından kullanılan bir klinisyen (C) odyopeptid antibiyotiktir.
  • [FONT=0)Teixobactin[DÜDÜT:1): Son zamanlarda BGC'yi öldüren bir depsipeptidi, preclinical çalışmaları için yeterli malzeme sağlamak.
  • [FONT=0)Moenmisin A): bakteri hücre duvarı sentezlerini engelleyen bir fosforlu antibiyotik. çok karmaşık yapısı (>40 chiral merkezi) kimyasal sentez imkansız hale getirdi; mikropişmanlık mühendisi tarafından değiştirilebilir.2Streptomices).

Ayrıca, PKS modüllerinin yeniden transfer domainlerini takas etmek, gelişmiş farmakolojik özelliklerle düzinelerce yeni sinerjik türevleri elde etti. Örneğin, PKS modüllerinin transfer domainlerini takas etmek, gelişmiş farmakolojik özellikleri ile onlarca yeni erythrmisin türevlerini sağladı.

Anticancer Agents: Plant Roots'tan Bioreactors'a

En güçlü anticanser bileşiklerin bazıları bitki bazlı ikincil metabolitler. Mikrobial fermentasyon şimdi bu moleküllerin ölçeklenebilir erişimi sağlar:

  • [FONT:0)Paclitaxel (Taxol))[değiştir | kaynağı değiştir] Pasifik'in barkından çıkarılmıştır. Biyofiziksel yol, kısmen yeniden düşünülmüş durumdadır.
  • [FONT=0]Vinblastine ve vincristine[[Dönetici: dimeric indole alkaloids from 03.D:2)Katharan rosethusus) 2022 yılında, bir takım, tam biyosynthesis maya, toplam dönüm noktası biyosynthesis.
  • [FONT=0)Halichondrin B): Deniz süngerlerinden gelen poliether makrolide, fotoomolar antiproliferatif aktivite ile.In sentetik analog eribulin (Halaven) bir blokbuster ilacı ifade ederek elde edilmiştir, ancak doğal ürün birkaç tane sentetik adım gerektirir.

Tarım ve Endüstri için Biyoaktif Doğal Ürünler

fermentasyon platformu ayrıca pestisitler, herbisitler ve endüstriyel enzimler olarak hizmet eden doğal ürünlerin üretimini de destekliyor:

  • [FONT=0]Spinosyns[[Dönetici: 1)) ) Klasik mutagenez ve hedeflenmiş bir gen lactones tarafından geliştirildi, spinosyn'i önde gelen bir biyopesti yaptı.
  • [FONT=0]Avermectins[[Döntgen: 1) Veteriner ve insan tıbbında kullanılan birthelmintik ajanlar. avermectin BGC inurFLT:2)Streptomyces avermitilis) yarı-seçmiş analog ivermectin yarattı.
  • [FONT:0)Firefly luciferin ve analoglar[[[Döneticiler: 1) karmaşık heterosik kimya gerektiren biyoluminescent bileşikleri. Mühendislik istikrarlı bir şekilde:2).E. coli) luciferin üretimi için sustuk, araştırma ve tanı için düşük maliyetli, yenilenebilir sentez sağlar.

Future Perspectives: Machine Learning, Cell-Free Systems ve Sürekli Fermentation

Pathway Design ve Optimizasyon için Makine Öğrenme

Mikrobiyal metabolizmanın karmaşıklığı - yüzlerce enzimle, binlerce metabolit ve nonlinear etkileşimleri - hangi genleri hedef ürüne doğru yükselterek azalttığını tahmin etmek için geleneksel deneme-ve-terör mühendisliği yavaş ve pahalı. 2023 yılında, ML-guided teşvik tasarımı, medya kompozisyonunun etkilerini tahmin etmek ve hatta sentetik yollar tasarlamak için daha fazla kullanılmaktadır.Ford cells-size yönelik olarak, genetik ölçümleme oranlarının altı katılıkta otomatik olarak artış olduğunu tahmin etmek için.

Hücresiz Sistemler: İmkansız Kimya

Hücresiz metabolik mühendislik (CFME) en karmaşık doğal ürünler için fermentasyon yaşamak için alternatif sunuyor. Hücresel olarak hücreler ve ortaya çıkan ham ekstrakları kullanarak -veya temizlenmiş enzimler - hücre duvarları olmadan meydana gelen, membranlar veya büyüme gereksinimleri.Bu yaklaşım özellikle cazip:

  • Hücreleri yaşamak için toksik olan bileşikler (örneğin, birçok anticanser yağ asit analogları).
  • Birçok faktör veya kırmızıox bakiyesi ile yol yolları, elde etmek zor olan dengeleri ile yollar:0)in vivo[Dönemli: 1).
  • Yol yol yollarının hızlı prototiplenmesi (haftalar yerine yaklaşık saatler).

Hücresiz sistemler kannabinoidler, opioidler üretmek için kullanılmıştır ve hatta karmaşık makrolide pikrmisin. Ancak, ölçeklenebilirlik önemli bir meydan okumadır: ATP ve NADPH'ın beslenmesi pahalı ve enzimler yüksek değerli, düşük hacimli doğal ürünler için uygulanabilir bir endüstriyel yöntem olabilir.

Sürekli Fermentasyon ve Situ Ürün Kurtarma

Geleneksel toplu fermentasyon yüksek downtime ve tutarsız ürün kalitesinden muzdariptir. Sürekli fermentasyon - temiz medya da eklenir ve genel olarak etanol gibi birincil metabolitler için on yıllardır kullanılır, ancak genetik sürüklenme nedeniyle daha az yaygındır (tabiyanklı membranlar veya akustik olmayan), bu iki katlı sefilli enzimler için dezenfeksiyon (örneğin, iki boyutlu) kullanılarak yapılır.

Ticarileştirme ve Engeller

Bu olağanüstü ilerlemelere rağmen, bu mühendisli mikropların çoğu endüstriyel işhorları haline gelmeden önemli engeller.

  • [FONT:0]Titer, verim ve verimlilik genellikle çok düşük [DFLT:1): Karmaşık doğal ürünler (MW >1000 Da), mikrogram litre aralığındaki titers yaygındır, ticari viability genellikle >1 g/L. Bu boşluğun optimizasyonu birden fazla yol kenarındaki adımların, ev sahibi fizyolojisinin ve yüksek işlemenin optimizasyonunu gerektirir.
  • [FONT:0)Genetik istikrarsızlık: BGCs genellikle megabase büyüklüğündedir ve birçok nesilden sonra kayıp veya sessizlik olabilir, özellikle sürekli kültürde, seçici entegrasyonlar bunu azaltabilir, ancak ortadan kaldıramaz.
  • [FONT:0]Downstream işleme maliyetleri[DownstreamT:0)[Downstream işleme maliyetleri[DownstreamT:0)[Downstream işleme maliyetleri[DownstreamT:1): İki fazlı biyoreactors kullanarak) yardımcı olabilir, ancak sağlam, maliyet-tebili saflaştırma trenleri hala gerekli olabilir.
  • [FONT:0]Yönerge ve entelektüel mülkiyet peyzajı[Dönetici: Doğal ürünler genellikle on yıllar önce patentlenmiş ve yeni üretim rotaları kompozisyon-oplamentoluşturulan iddialara karşı ihlal edilebilir. Ek olarak, eğer mühendis tarafından değiştirilmiş bir mikrobe (GMM), kapsayıcılık ve çevresel salıverme düzenlemeleri küresel olarak değişebilir, ölçeklendirme düzenlemeleri.

Sonuç: Fermentation Frontier

Mikrobiyo fermentasyon, genetik cerrahi tarafından CRISPR ile güçlendirilmiş, metabolik yolların rasyonel tasarımı ve akıllı biyoreactors ortaya çıktı. Şimdiye kadar karmaşık doğal ürünlerin birçokına erişilebilir - makine öğreniminin daha önce yol açması ve hücre dışı sistemlerin gerçekleşmesi, başka türlü kimyasalların gerçekleşmesine engel olacak şekilde, daha önce kimyasal sentez ve doğal ekstraksiyonun ortaya çıkmasının ardından, dünyanın en değerli moleküllerin çoğuna kadar doğal ekstraksiyonun değiştirilmesini sağlayacak.

[0]Daha fazla okuma için dış kaynaklar:

  • [FONT:0)Genome Biyoloji ve Evrim: Mühendislik Doğal Ürün Biyosyntez (2020) - BGC refaksiyonu ve ev sahibi seçiminin kapsamlı bir incelemesi.
  • [FONT:0) Doğa Biyoteknoloji: Metabolik mühendislik için makine öğrenimi (2021) ). – ML nasıl yol optimizasyonuna dönüşür.
  • [FONT:0)Chemical İncelemeler: Komple ürün toplam sentez vs. fermentasyon (2016)). – kimyasal ve biyolojik rotaların karşılaştırmalı analizi.