Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Berkeley Lab haben einen Workflow namens “Product Substrate Pairing” (PSP) entwickelt, der die CRISPR-Gentechnik mit computergesteuerten Modellen kombiniert, um den Prozess der Mikroben-Engineering für die Bioproduktion zu optimieren. Der Workflow reduziert die Produktentwicklungszyklen von Jahren auf Monate, indem er sich auf spezifische Gene und Proteine konzentriert und das gesamte Genom modelliert. PSP hat sich als vielversprechend erwiesen, um Stämme zu entwickeln, die bakterielle Nahrungsquellen in Zielmoleküle umwandeln können. Die Forscherinnen und Forscher haben die Effektivität von PSP durch die Entwicklung eines Stammes nachgewiesen, der sich von Lignin, einem Abfallprodukt von Pflanzen, ernähren kann. Das Team verwendete PSP, um die notwendigen Genveränderungen und Kulturbedingungen für die Bakterien zu identifizieren, um hohe Mengen eines nicht-einheimischen Stoffes, nämlich Indigoidin, ein blauer Farbstoff, zu produzieren. Der Workflow entfernt den herkömmlichen Versuchs-und-Irrtum-Ansatz für das Design der Stämme und macht den Prozess effizienter und vorhersagbar. Die Forscher erreichten eine Ausbeute von 77% nach etwa einem Jahr Arbeit. Der Workflow ist auf verschiedenste Mikroben, Kohlenstoffquellen und Bioproduktionsziele anwendbar.
Einführung
Überblick über den von Wissenschaftlern am Berkeley Lab entwickelten Product Substrate Pairing (PSP) Workflow.
Die Notwendigkeit einer optimierten Mikrobenentwicklung
Erklärung der bestehenden Herausforderungen und Einschränkungen im herkömmlichen Prozess der Entwicklung von Mikroben für die Bioproduktion.
Lange Entwicklungszyklen
Diskussion über die zeitaufwändige Natur von Produktentwicklungszyklen in der Bioproduktion und die Notwendigkeit schnellerer Prozesse.
Ungenauigkeit bei der Genbearbeitung
Erklärung des Versuchs-und-Irrtum-Ansatzes bei der Genbearbeitung und der Notwendigkeit präziserer und effizienterer Methoden.
Unbeständige Ergebnisse
Diskussion über die Variabilität der Ergebnisse aufgrund des begrenzten Verständnisses des Verhaltens von Mikroben und genetischer Interaktionen.
Der Product Substrate Pairing Workflow
Überblick über den PSP-Workflow und seine Kombination aus CRISPR-Gentechnik und computerbasierten Modellen.
Fokus auf spezifische Gene und Proteine
Erklärung, wie der PSP-Workflow spezifische Gene und Proteine identifiziert und anvisiert, die mit dem angestrebten Bioproduktionsziel zusammenhängen.
Modellierung des gesamten Genoms
Diskussion darüber, wie der Workflow computerbasierte Modelle nutzt, um das Verhalten des gesamten Genoms zu simulieren und die Auswirkungen von Genveränderungen vorherzusagen.
Anwendungen des PSP in der Bioproduktion
Beispiele, wie der PSP-Workflow dazu eingesetzt werden kann, Herausforderungen in der Bioproduktion zu lösen.
Umstellung von bakteriellen Nahrungsquellen
Verdeutlichung, wie der PSP-Workflow verwendet werden kann, um Stämme zu entwickeln, die bakterielle Nahrungsquellen in Zielmoleküle umwandeln können.
Fallstudie: Nutzung von Lignin als Nahrungsquelle
Beschreibung der Demonstration der Effektivität von PSP durch die Entwicklung eines Stammes, der sich von Lignin, einem Abfallprodukt von Pflanzen, ernähren kann.
Produktion von nichtnativen Verbindungen
Erklärung, wie der Workflow die Produktion von nichtnativen Verbindungen in Mikroben ermöglicht, zum Beispiel die Entwicklung eines Stammes mit hohen Indigoidin-Spiegeln, einem blauen Farbstoff.
Verbesserung von Effizienz und Vorhersagbarkeit
Diskussion darüber, wie der PSP-Workflow den Versuchs-und-Irrtum-Ansatz eliminieren und zu einem effizienteren und vorhersagbareren Prozess der Stammgestaltung führen kann.
Zukünftige Möglichkeiten und Anpassungsfähigkeit von PSP
Erkundung, wie der PSP-Workflow auf verschiedene Mikroben, Kohlenstoffquellen und Bioproduktionsziele angewendet werden kann.
Ausweitung auf verschiedene Mikroben
Erklärung, wie der PSP-Workflow angepasst werden kann, um verschiedene Arten von Mikroben für vielfältige Bioproduktionsanwendungen zu entwickeln.
Verwendung verschiedener Kohlenstoffquellen
Diskussion über die Vielseitigkeit des PSP-Workflows bei der Nutzung verschiedener Kohlenstoffquellen für Bioproduktionsprozesse.
Anvisierung verschiedener Bioproduktionsziele
Verdeutlichung, wie der PSP-Workflow dazu verwendet werden kann, verschiedene Bioproduktionsziele anzustreben und eine Vielzahl von Verbindungen herzustellen.
Fazit
Zusammenfassung der Vorteile und des Potenzials des Product Substrate Pairing Workflow bei der Optimierung der Mikrobenentwicklung für die Bioproduktion.
