Metabolomické inženýrství a syntetická biologie v biotechnologii
Bakterie metabolicky modifikované s využitím syntetické biologie jsou již dnes používány k výrobě mnoha chemických látek. Fototrofní mikroorganismy, tedy mikrořasy a anoxygenní fototrofní bakterie, které k růstu využívají volně dostupnou energii slunečního světla a oxid uhličitý (CO2), představují velmi atraktivní základ pro biotechnologické aplikace. Jejich širší využití je však dosud omezeno nízkou účinností produkce.
V našem projektu vyvíjíme pracovní prototyp fotosyntetické biotovárny, Syn2Cell. Jde o systém založený na sinicích, který se bude vyznačovat vysokou produktivitou dosaženou přeprogramováním metabolických drah pomocí syntetické biologie a adaptivní laboratorní evoluce. Další stabilizací fotosyntetických procesů a genetické výbavy 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 produkci vysoce hodnotných metabolitů s aplikačním potenciálem.
Hlavním cílem tohoto výzkumného záměru je sestrojit koncepčně zcela nový produkční systém nazvaný Syn2Cell, který bude založen na modelové sinici Synechocystis. S využitím syntetické biologie a adaptivní 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 povede k rozkladu světlosběrných antén (fykobilisomů) a k hromadění zásobních látek. Uhlík a dusík uvolněný rozpadem fykobilisomů zajistí velmi vysokou produkci. Jelikož všechny potřebné živiny budou hojně dostupné, aktivace tohoto programu nebude inhibovat fotosyntézu.
Dalším výzkumným cílem VP1 je prohloubit poznání regulace metabolismu u řas, které jsou podstatně složitější než sinice (existence organel, epigenetika, atd.). Klademe si za cíl vytvořit teoretický základ pro konstrukci produkčního systému podobného Syn2Cell u eukaryot.
V současné době stále nedisponujeme vhodnými nástroji syntetické biologie, které by napomohly širšímu biotechnologickému využití mikroskopických fototrofních organismů. Cílem VZ 2 je vyvinout expresní systém pro sinice, založený na indukovatelném plasmidu s vysokým počtem kopií.
VZ 2 dále navazuje na VZ 1 s cílem zkonstruovat syntetické proteiny vážící chlorofyl, které nahradí světlosběrnou funkci fykobilisomů 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 potenciální protinádorová farmaka. Vedle těchto prioritních látek budou u fototrofních mikroorganismů charakterizovány metabolické dráhy karotenoidů, flavonoidů a dalších látek s biotechnologickým potenciálem.
