Microbial Nutraceuticals'ın Yükselişi

On yıllardır, vitaminlerin ve temel besinlerin üretimi, bitkisel ve hayvan kaynaklarından kimyasal sentez veya ekstraksiyona dayanıyor. Ancak, genomiklerin, metabolik mühendislik ve sentetik biyolojinin yakınlaştırılması yeni bir sınır açtı: yaşam bakterilerini minyatür biyofaktorlar olarak kullanarak, şimdiye kadar biyolojik mikroorganizmalar ve besinlerin gerekli verimli, ölçeklenebilir ve maliyetle verimli bir alternatif sunmak için.

Bakteriyel biyosyntezin gücü doğanın kendi kimyasında yatıyor. Birçok mikrop zaten genetik makinelerin genetik makinelerin kanser gibi üretebilmeleri, B12 vitamininin ikincil metabolitler olarak yeniden programlanmasıyla, araştırmacılar bu tür verimleri artırabiliyor ve hatta tamamen yeni beslenme molekülleri yaratabiliyor.

Tarihsel Context: Hassas Biyomühendisliğe Fermentation From Fermentation to Precision Biomühendising

İnsanlar beslenme yararları için uzun süredir tükendi. Fermented food -yogurt, kimchi, çekicieh - doğal olarak vitamin üreten bakteriler içerir. Ancak bu geleneksel yöntemler mütevazı verimlerle doğal olarak sınırlıydı. İlk modern biyomühendislik, 1940'larda meydana gelen bakterilerden oluşan ilk hassas manipülasyonlar, dramatik olarak artan bir şekilde üretim tesislerini ve producible besinlerin çoğunu tedarik eden bu keşif süreçleri genişletmiştir.

Anahtar kilometre taşları 1970'lerde rekombinant DNA teknolojisinin gelişimini içerir ve cerrahi olarak genleri tek bir mühendisle birleştirir ve 2010 yılında CRISPR-Cas9'un gelişini içerir.Her şey daha fazla metabolik yollarda hıza ve bazı zamanlardaki adımları cerrahi bir şekilde basitleştirebilir.

Bakrient Prodüksiyondaki Bakterilerin Rolü

Bakteriler, hızlı büyümeleri, basit genetikler ve çeşitli metabolizmaları nedeniyle biyosyntez için idealdir. Birçok türü doğal olarak kendi hayatta kalmalarının bir parçası olarak vitaminler üretirler - örneğin, DÖRT:0)Propioniium freudenreichii[FLT 1: 1 Vitamin B12, ve ESFLT:2).Lactobacillus bitkisi Bu yerel yollar, aşırı derecede rekabetçi yollar, diğer organizmalardan yüksek kaliteli yollar ithal edebilir.

Ayrıca, bakteriler genellikle bitki bazlı diyetlerde nadir olan besin üretmek için mühendisi olabilirler. Örneğin, B12 vitamini doğal olarak bitkilerden yoksundur, vejetaryenler ve veganlar eksik olan versiyonlarına karşı savunmasızdır. Benzer şekilde, D2, omega-3 yağ asitleri ve astaxanthin gibi karotlar sentezlenebilir.

Mühendisli Bakteriler tarafından üretilen özel Nutrients

B12 Vitamini (Cobalamin)

B12 Vitamini en karmaşık doğal moleküllerin biridir, sentez için 30 enzim adımlarını gerektirir. Geleneksel olarak, endüstriyel üretim, B12 yolundan aranır) veya ) Cambridge Üniversitesi'nde başarılı bir şekilde şasi (D) yapılan araştırmalarda B12 yolu ile tüm B12 yolundan aranırıklama vaatlerine olanak sağlar.

(Vücud B)

Hamilelik sırasında eksiklik, sinir tüpü kusurları ile bağlantılıdır. Lactic asit bakteriler (LAB) doğal olarak folate biyolojik katkılarından kaçınan bir ilaç ürünü olarak kullanılabilir.Bilim adamları, normal miktara kadar üretilen LAB sularını yarattılar.

Riboflavin (Vitamin B2)

Endüstriyel riboflavin üretimi, mikropiyal fermentasyona zaten geçiş yaptı, büyük ölçüde mühendis tarafından yapılan 15 g/L nedeniyle elde edildi.Bu başarı hikayesi, bakteri biyosyntezinin ticari kullanılabilirliğini gösteriyor ve diğer vitaminler için bir model sunuyor.

Biotin (Vitamin B7)

Biyotin yağ asit sentez ve glukoz metabolizma için gereklidir.ETHFLT:0)E. coli), biyotin repreor Birinin normal olarak biyosynthesisini kısıtlayan gerileme için mühendisi olmuştur.Exmarkion overexpression of theurABFCD).

C Vitamin C (Ascorbik asit)

C vitamini genellikle Reichstein sürecinde üretilir, mikropiyal fermentasyon ile kimyasal sentez birleştirir. Araştırmacılar mühendisini kullanarak tam mikro rotalar geliştirdiler:0)Gluconobacter oxydans[FLT] ve [[DüzD|Düzükler[Dönemler[Düzüğünler[Dönderler[Düzerleri, bakteriler değil, ancak ilgili).

Bakteriyel Mühendislikte Kullanılan Teknikler

Modern metabolik mühendislik, bakterileri verimli vitamin üreticilerine dönüştürmek için bir takım araçlar kullanıyor. Bu teknikler daha hızlı iterasyon ve daha karmaşık tasarımları sağlar.

Gen Editing: The CRISPR Revolution

CRISPR-Cas9 sistemleri, araştırmacıların hassas eklemeler yapmasına izin verir, kanserli mutasyonlardan uzak tutarlar. ek olarak, CRISPR- bazlı düzenleme, genleri kalıcı olarak değiştirmeksizin geri almak için kullanılabilir. Örneğin, geri dönüşümlü kontroller sunan bu sifonlar.

Metabolic Pathway Optimizasyon

Bireysel genlerin düzenlenmesinin ötesinde, bilim adamları tüm metabolik ağları yeniden yapılandırır: Bu şunları içerir:

  • [FONT:0)Flux dengeleme:[Dönetici ifade seviyelerini şişen olmadan yol boyunca düzgün akış sağlamak için ayarlama.
  • [FONT:0)Kofaksiyon mühendisliği:[DH, ATP, vb.) Vitamin sentezleyen kofakların (H, ATP, vb.) kullanılabilirliğini Değiştirin.
  • [FONT:0)Compartmentalization: [Dönetici: Mühendislik bakteri mikrokompartmanları enzimlere ve ortalara konsantre olmak, toksisite ve yan reaksiyonları azaltmak.

Metabolik modelleri, genom ölçekli modeller (GEMs), optimal gen nakavtlarının ve aşırı ekspresyonun hesaplamasına izin verir. Bu, daha sonra laboratuvarda doğrulanır, gelişim döngüsünü hızlandırır.

Sentetik Biyoloji: Yeni Yol yolları inşa etmek

Bazı durumlarda, doğa, Kaliforniya Üniversitesi'nde istenen bir besin için verimli bir yol sağlamaz. S Sentetik biyoloji, omega-3 yağ asidi EPA'nın oluşturulmasına olanak sağlar). Farklı organizmalardan veya hatta yapay enzimler tasarlayarak yol yolları. Örneğin, Kaliforniya Üniversitesi'nde araştırmacılar, doğal kaynaklardan elde etmek için yedi adım yol inşa edebilirler.

Yönetmen Evolution

enzim aktivitesini veya istikrarı geliştirmek için, evrim konusu, rastgele mutasyon ve seçimin normal yuvarlaklarına bir gen yönlendirdi. Bu teknik, yüksek substrat konsantrasyonlarına veya yüksek sıcaklıklarda faaliyet gösteren enzimleri evrimleştirmek için kullanılmıştır, hem de endüstriyel fermentasyon için faydalı olan, yüksek orandaki tarama ile birlikte, evrim hızla artmaya başladı.

Uygulamalar ve Faydaları

Vitaminlerin mühendisi tarafından yapılan bakteri üretimi, daha sürdürülebilir bir şekilde takviye etmek için gıdaları üretmekten çok sayıda gerçek dünya uygulaması vardır.

Gıda Fortification

Doğrudan mühendislere ek olarak - ne canlı veya aktive edilmiş - gıda ürünleri, doğal bir fortification stratejisi sunar. Örneğin, inşaatçıklanmış olan yoğurt starters, B12 kullanılarak mühendisi tarafından zenginleştirilebilir.Lactoccus lactisobaLactse[Düzükler)[Düzükler[Düzükler, sentetik bir şekilde dekore edilmiş yüzler veya dokular için cazip gelir.

Vitamin Vitamini Ek Vitaminleri

Küresel diyet takviyesi pazarı yılda 150 milyar dolar aşıyor. Çoğu vitamin hala kimyasal sentez veya ekstraksiyon ile üretilir, her ikisinde de çevresel ayak izi vardır. bakteri fermentasyon yeşil bir alternatif sunar: yenilenebilir yemstocks, minimum atıklar kullanır ve DSM, BASF gibi işletmelerde çalışır ve Ajinomoto zaten B12 vitamini için fermentasyon sağlar.

Hayvan Besleme

Livestock genellikle sağlık ve üretkenliği korumak için ek vitaminler gerektirir. Bakteriyel biyosynthe boy vitaminler daha düşük maliyette ve daha yüksek saflıkta beslenebilir. Örneğin, üretilen riboflavin:0)Bacillus subtilis)

Probiyotikler ve İnsan Sağlığı

Başka bir umut verici uygulama, insan vücudundaki vitaminleri doğrudan üretmek için mühendisi tarafından kullanılmaktadır. Örneğin, bu konsept, bazen "canlı biyoapötik ürünler" olarak adlandırılır veya “Dönergeli vitaminler veya genetik durumlarla birlikte, patolojik tedavilerin erkenden önce, ancak kanıtlanan veya B12'nin sürekli olarak bozulmasına yardımcı olabilir.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

Dikkat çekici ilerlemeye rağmen, mühendis bakterinin ana beslenme kaynağı haline gelmeden birkaç engel aşılmalıdır.

Düzenleme

Genetik olarak değiştirilmiş mikroorganizmalar (GMM) birçok ülkede sıkı düzenleyici incelemelerle karşı karşıyadır. Örneğin, GMM'ler içeren yeni yiyecekler için onay, ABD'de FDA, bu tür ürünleri genel olarak güvenli (GRAS) bildirim sürecinde değerlendirmektedir.

Güvenlik ve Kamu Kabul

GMOs hakkında genel endişe yüksek, özellikle Avrupa'da Şirketler, genetik olarak değiştirilmiş hücrelerin olmadığı şeffaf iletişim ve kapsamlı risk değerlendirmelerine yatırım yapmalıdır. Anahtar güvenlik önlemleri, non-pathgen üretim suları kullanarak, biyofikatör tasarımı (örneğin, dış bir besin için dışsal bir besin gerektiren akrotrofik işaretleyicileri) tasarlamak ve nihai ürünün genetik olarak değiştirilmiş hücreleri yaratmamasını sağlamak için daha güvenli bir alternatif sunar.

Stability and Raf Life

Gıdaların içinde üretilen vitaminler depolama sırasında veya işlemden sonra bozulabilir.Incapsulation technologies, örneğin koruyucu kaplamalarla sprey kurutma gibi, nihai ürünü stabilize edebilir. Ek olarak, mühendislik bakterileri daha sağlam vitamin analogları üretmek için (örneğin, daha fazla laboratuvarda bir B12 için stabil bir form) yaşam rafını artırabilir.

Ölçeği ve Maliyetleri

Pasaj ölçeklenebilir olsa da, endüstriyel hacimlerde yüksek verim elde etmek zor kalır. Laboratuvar ölçeğinde Vitamin üretimi ( litre başına) genellikle endüstriyel ölçeklere (toprak başına gramer) çevirmek için başarısız olur (örneğin, mevcut sentetik vitamin B2 fiyatı, ürün birikimi ve metabolik yük. Biyoreactor tasarımında ilerlemeler, beslenme-batch stratejileri, ve sürekli fermentasyon da yardımcı olabilir.

Gelecek Yol: Sonraki Sınır

Bakteriyel besin biyosyntez alanı hızla ilerliyor. Etkilerini genişletmek için vaat eden birkaç ortaya çıkan trend.

Gut Microbiome aracılığıyla kişiselleştirilmiş Beslenme

Örneğin, bağırsak mikrobiyome derinlerinin anlayışı olarak, bilim adamları, lokal olarak bağırsaklarda spensal bakterileri bireysel ihtiyaçlara uygun olarak üretmek için öngörürler. Örneğin, kasvetli bir genetik değişken olan biri, peçeteplerin yerel olarak bağırsaklarda folate olabileceğini bir probiyotikten yararlanabilir.

Komplikeli Plastik Üretim

Future sular aynı anda birden fazla vitamin üretebilir, tek bir mikrobede bir "multivitamin fabrikası" oluşturabilir. B12, folate ve biyotin için yol yollarını dengelemek için araştırmacılar, düzenleme ve üretim süreçlerinin gerekli olan miktarlarını azaltabilirler.

Bir Feedstock olarak atık kullanmak

Daha da sürdürülebilirliği artırmak için, bakteriler atık akışlarını tüketerek mühendisi olabilirler - örneğin biyodizel üretimden, peynir üretiminden veya lignocellulosic biyomass – karbon kaynakları gibi. Bu "cirüler biyoeconomy" yaklaşımı düşük değerli atıkları yüksek değerli yiyeceklere dönüştürür, her iki üretim maliyetlerini ve çevresel kirliliği azaltır.

Hücre Tarımla Bütünleşme

Mühendisli bakteriler, hücre kültürüne ait et ve diğer hücresel tarım ürünleri için vitaminler üretmek için de kullanılabilir. Bu sistemler genellikle karmaşık medya formülasyonları gerektirir; bakteri biyoreactor, daha ekonomik ve sürdürülebilir hale getirmek için vitaminler sağlayabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Mikroorganizal enzimlerin biyosynthesize temel vitaminler ve besinlerin mühendisliği, insan sağlığının bina bloklarının nasıl üretilebileceğimiz konusunda bir paradigma değişikliği temsil ediyor.Bu teknoloji, son derece sağlıksız, erişilebilir ve erişilebilir bir gıda sistemi oluşturmak için sürdürülebilir bir rol oynayabilir.Bugünün küçük bakteri fabrikaları sağlıklı, daha adil bir nüfus için temel oluşturuyor.

[FONT:0)Further okuma: derinlemesine bir inceleme için, bkz.DüzDÜT:1]Doğa Biyoteknolojisi vitaminlerin mikrobiyal üretimine ).