Metabolomické inžebnýrství a syntetická biologie v biotechnologii
Bakterie metabolicky modifikované s využitím syntetické biologie jsou již dnes používány k výrobě mnoha chemických látek. Fototrofní mikroorganismy, mikrořasy a anoxygenické fototrofní bakterie, které využívají volně dostupnou energii slunečního světla a anorganický CO2 k redukci emisí uhlíku do atmosféry a představují velmi atraktivní základ pro biotechnologické aplikace. Nicméně jejich širší využití je omezeno nízkou účinností.
V našem projektu vyvíjíme pracovní prototyp fotosyntetické biotovárny, Syn2Cell. Jde o systém založený na sinicích, který se vyznačuje vysokou produktivitou přeprogramováním metabolických drah pomocí syntetické biologie a adaptivní laboratorní evoluce, což vede k vyšší produktivitě. Další stabilizací fotosyntetických procesů a genetického vybavení dosáhneme vyšší robustnosti systému, což je nezbytné pro praktické biotechnologické aplikace.
Součástí projektu je i vývoj technologického postupu kultivace buněčného systému v pilotních objemech v desítkách litrů.
Projekt je zaměřen i na rozvoj syntetické biologie řas, včetně identifikace enzymů důležitých pro cílenou expresi vysoce hodnotných metabolitů s aplikačním potenciálem.
Hlavním cílem tohoto pracovního balíčku je sestrojit konceptuálně zcela nový produkční systém nazvaný Syn2Cell, který bude založen na modelové sinici Synechocystis. S využitím syntetické biologie a laboratorní evoluce bude původní mikrobiální buňka přeprogramována tak, aby se fáze růstu oddělila od fáze produkční. Ta bude zahájena zablokováním růstu a spuštěním vestavěného metabolického programu, který umožňuje buňce přežít v bezdusíkatých podmínkách. Tento program však bude geneticky upraven tak, aby mohl být aktivován i v přítomnosti dusíku. Aktivace tohoto programu vede k rozkladu světlo zachytávajících antén (fykobilizomů) a k hromadění zásobních látek. Uhlík a dusík uvolněné při tomto procesu z rozložených fykobilizomů zajišťují velmi vysokou produkci. Jelikož jsou všechny potřebné živiny hojně dostupné, aktivace tohoto programu nebude inhibovat fotosyntézu.
Dalším výzkumným cílem WP1 je porozumění regulaci metabolismu řas, který je podstatně složitější než metabolismus sinic (epigenetika, existence organel atd.). Navíc nástroje genetického inženýrství a adaptivní laboratorní evoluce zvyšují genetickou stabilitu a funkční fotosyntézu po přeprogramování buňky. Tato optimalizace zajišťuje vyšší robustnost systému, což je nezbytné pro biotechnologické aplikace.
Projekt si klade za cíl posunout hranice porozumění metabolismu řas a genetické regulaci, aby umožnil konstrukci systému podobného Syn2Cell i u eukaryot.
Bakterie, metabolicky upravené pomocí syntetické biologie, jsou již dnes využívány pro výrobu mnoha chemických látek. Fototrofní mikroorganismy, mikrořasy a anoxygenní fototrofní bakterie, které využívají volně dostupnou energii slunečního záření a anorganický CO2, čímž omezují emise uhlíku do atmosféry, představují velmi atraktivní základ pro biotechnologické aplikace, ovšem jejich širšímu využití brání nedostatek vhodných nástrojů syntetické biologie. Cílem VZ2 je vyvinout expresní systém pro sinice, založený na indukovatelném plasmidu s vysokým počtem kopií.
VZ2 navazuje na VZ1 s cílem zkonstruovat syntetické proteiny vážící chlorofyl, které nahradí světlosběrnou funkci fykobilizómů v produkčním systému Syn2Cell. Tento systém bude testován na velkokapacitní produkci sinicových sekundárních metabolitů pro farmakologii. Jde o látky s inhibičním účinkem na mezibuněčnou bakteriální komunikaci a využitelné například při léčbě rakovin. Vedle těchto prioritních látek budou u fototrofních mikroorganismů charaktrerizovány metabolické dráhy karotenoidů, flavonoidů a dalších látek s biotechnologickým potenciálem.
