S molekulárnou stravou k maximálnemu výkonu
Vedci z Biocatalysis Cluster 2021 upravujú baktérie pre biotechnologickú výrobu. Na tento účel predpisujú genetickú stravu pre mikroorganizmy.
Orezávanie baktérií na použitie v biotechnologickej výrobe je zložitá záležitosť. Niekedy mikróby produkujú požadovaný enzým a niekedy nie. Dôvod tohto často tvrdohlavého správania zostáva výskumníkovi často skrytý. V spoločnom projekte P27 klastra Biocatalysis 2021 podporovanom Federálnym ministerstvom školstva a výskumu (BMBF) chcú vedci optimalizovať produkčné správanie ekonomicky veľmi zaujímavej baktérie: je to Bacillus subtilis, seno bacil. Cieľom je pripraviť baktérie na produkciu bielkovín a enzýmov, ktoré sú cenené v potravinárskom aj farmaceutickom priemysle.
Vedci v klastri Biocatalysis 2021, jednej zo štyroch sietí finančnej iniciatívy BMBF BioIndustrie 2021, sa zaoberajú projektmi priemyselnej biotechnológie. Patrí sem aj projekt s číslom P27 s názvom: „Nové systémy expresie bacila“. BMBF financuje projekt celkovou sumou 760 000 eur počas troch rokov.
Molekulárne biologické skrotenie baktérie sena
Hlavnou prekážkou vo výrobe enzýmov a proteínov je stále zabezpečenie vhodných expresných systémov, ako sú baktérie alebo kvasinky. Iba tie najlepšie produkčné kmene sú schopné bezchybne produkovať aminokyselinové reťazce, zložiť ich do správnej trojrozmernej štruktúry a produkovať požadovaný proteín vo veľkom meradle.
„Naše konzorcium by chcelo premeniť dobre charakterizovanú divokú baktériu Bacillus subtilis 6051a na moderný produkčný kmeň. Aby sme to dosiahli, chceme vyhodiť nepotrebný genetický balast baktérie cez palubu - iba to bráni baktériám v efektívnom vykonávaní práce, “vysvetľuje Lutz Popper, koordinátor projektu P27 a vedúci výskumu a vývoja v spoločnosti SternEnzym GmbH & Co. KG. Dobré produkčné kmene senných baktérií už existujú, ale vlastnia ich veľké spoločnosti a korporácie. A voľne dostupné laboratórne kmene majú tú nevýhodu, že nie sú vhodné na výrobu vo veľkom. To by sa malo teraz zmeniť - vďaka práci konzorcia P27: Za molekulárno-biologickú časť zodpovedá Univerzita Ernsta Moritza Arndta z Greifswaldu. Medzinárodne aktívna spoločnosť Miltenyi Biotech GmbH z Teterowa poskytuje expresné systémy a stará sa o fermentačnú technológiu. Tretím v skupine je Stern-Enzym GmbH. Ich vedci testujú funkčnosť vyrábaných enzýmov v sektore výroby potravín.
Prekážky a úspechy vedeckej práce
Za genetickú optimalizáciu sú zodpovední dvaja vedci z tímu Thomasa Schwedera, profesor farmaceutickej biotechnológie na Greifswaldovej univerzite. Odstránili všetky nepotrebné genetické sekvencie zo sena bacil a vytvorili akúsi minimálnu baktériu, ktorá by mala robiť iba jednu vec: syntetizovať požadované enzýmy na priemyselné použitie. Tento mikroorganizmus sa už nemôže ani pohnúť. Odstavili ste to, stojí to príliš veľa zbytočnej energie a nie je to potrebné na výrobu bielkovín. "Samozrejme, odstránenie genetického materiálu nebolo také ľahké, ako to znie," pripomína koordinátor. „Ale po niekoľkých neúspechoch sme konečne dokázali dokázať uskutočniteľnosť nášho konceptu.“ Optimalizovaný dizajn produkčného kmeňa už dokázal úspešne produkovať rôzne proteíny, ako je xylanáza a amyláza. Konzorcium si dalo za cieľ zvýšiť produkciu bielkovín. „Momentálne pracujeme v menších fermentoroch do desať litrov, ale výroba vo väčšom rozsahu by tu mala prebehnúť do konca roka,“ hovorí 52-ročný potravinársky technológ Popper.
Vedci majú len čo papať s produkciou enzýmu nazývaného sulfhydryl oxidáza z pivovarských kvasníc. "Kvasinky sú nekonečne lenivé, pokiaľ ide o výrobu tohto enzýmu," prezrádza Popper. Pretože je známe, že je to veľmi bezpečný produkčný organizmus kvôli absencii nežiaducich metabolických produktov, seno bacil P27 sa javilo ako ideálne vhodné, ale bohužiaľ je v tomto systéme aj trochu tvrdohlavý: proteín bol vyrobený, ale nie je aktívny. Možné príčiny sa v súčasnosti skúmajú, ale Lutz Popper si je istý. Tím P27 tiež dostane tento problém pod kontrolu.
Dlhá a kamenistá cesta k ekonomickému využitiu
Partnerom projektu P27 sa podarilo navrhnúť stabilný mikrób, ktorý rovnomerne premieňa suroviny na požadovanú látku a tiež veľmi šetrne využíva svoje energetické rezervy: Komerčné využitie niektorých syntetizovaných proteínov realizujú partneri projektu Stern-Enzym GmbH a Miltenyi zamerané na patentovanie. Plánuje sa tiež použitie tohto optimalizovaného kmeňa na výrobu ďalších enzýmov všetkého druhu.