Po prvi put, velike količine melatonina proizvode bakterije. U industrijskim kacama za fermentaciju, bezopasni sojevi dizajniranih bakterija E. coli hrane se glukozom i izbacuju melatonin, hormon koji kontroliše cirkadijalne ritmove i služi kao pomoć pri spavanju.
Ova velika proizvodnja čistog melatonina od strane bakterija je jedan nedavni primer rastuće industrije bioproizvodnje. U bioproizvodnji, genetski programirani mikroorganizmi služe kao biološke fabrike koje proizvode specifične proizvode. Ovaj način proizvodnje raste u Sjedinjenim Državama i širom sveta, delimično zahvaljujući nizu fundamentalnih napretka koje su napravili bioinženjeri na Kalifornijskom univerzitetu San Diego Jacobs School of Engineering.
„Priča je zaista da se bioproizvodnja širi u svom spektru primene na potrošačke proizvode. Melatonin je konačno izašao. Bioproizveden je i takmiči se sa organskom sintezom“, rekao je profesor bioinženjeringa sa Univerziteta u San Dijegu Bernhard Palsson, koji je objavio članak u Melatonin Research .
Pored upotrebe kao pomoć pri spavanju, melatonin se razmatra za mnogo širi spektar upotreba, uključujući negu kože, suplemente za napitke za relaksaciju, aditive za hranu za akvakulturu i za niz upotreba za biljke u poljoprivredi.
„UC San Diego Jacobs School of Engineering omogućava modernu bioproizvodnju. Sa ovim projektom melatonina, sarađivali smo sa kolegama u Danskoj kako bismo razvili i zatim povećali bioproizvodnju proizvoda visoke vrednosti. Da bismo to uradili, izgradili smo osnovne inovacije napravljene ovde u odeljenju za bioinženjering u UC San Diego. Nadam se da ovaj projekat naglašava ogromne mogućnosti koje se otvaraju u bioproizvodnji. U mnogim slučajevima, ono što nedostaje je poslednji korak, odnosno povećanje do komercijalno značajnih količina. Treba nam mnogo više pilot postrojenja srednje veličine koja omogućavaju istraživačima da povećaju svoje inovacije u bioproizvodnji do te mere da su spremni da pređu u komercijalnu proizvodnju.“
Palsson vodi istraživačku grupu sistemske biologije na odeljenju za bioinženjering Shu Chien-Gene Lai na Školi inženjeringa UC San Diego Jacobs. Dok su globalne inovacije skoro uvek timski sport, postoje dva velika napretka koje su Palsson i njegov istraživački tim za bioinženjering sa UC San Dijega napravili koja sada omogućavaju modernu bioproizvodnju.
Prvo, bioinženjeri UC San Diego predvođeni Palssonom su iskoristili računarsku biologiju kako bi stvorili nove i bolje alate za dizajniranje puteva metaboličke proizvodnje koji će biti ubačeni u genome mikroorganizama. Drugim rečima, tim je razvio nove računarske alate za dizajniranje metaboličkih instrukcija koje govore mikrobima da obavljaju specifične zadatke, kao što je stvaranje melatonina, dok obavljaju svoje normalne ćelijske funkcije.
Drugo, bioinženjeri UC San Diego u Palssonovoj laboratoriji izumeli su automatizovanu adaptivnu laboratorijsku evolucionu mašinu. Sa ovom robotskom platformom, istraživači su dozvolili evoluciji da obavi posao generisanja optimizovanih sojeva programiranih bakterija koje su izuzetno efikasne u obavljanju onoga za šta su programirane, obično proizvodeći metabolit. Oni to rade na osnovu metaboličkih uputstava koje su istraživači prvo osmislili na računaru, a zatim ubacili.
U slučaju melatonina, automatizovana robotska mašina tima je iskoristila prirodni proces evolucije kako bi pretvorila soj bakterije E. coli sa umetnutim uputstvima za proizvodnju melatonina u soj E. coli koji može da raste samo ako proizvodi melatonin. Ovaj metabolički dizajn se naziva sistem selekcije povezan sa rastom. Vodeći inženjer na ovom projektu je Adam Feist, naučnik istraživanja bioinženjeringa UC San Diego i dr. alumnus sa odseka za bioinženjering. Ovaj adaptivni pristup laboratorijske evolucije stvorio je funkcionalne enzime koji su omogućili timu sintetičkih biologa, na čelu sa dr Lei Jangom. na sajtu za saradnju na Tehničkom univerzitetu u Danskoj, kako bi se izgradio metabolički put koji proizvodi melatonin.
„Možete ručno da izvodite eksperimente evolucije u laboratoriji. Izuzetno je naporan, može imati promenljive rezultate i ima nisku propusnost – ne možete da uradite mnogo evolucija u isto vreme“, rekao je Feist. „Evolucija laboratorije postoji već neko vreme, ali automatizacija je čini pravim inženjerskim alatom – kontrola kvaliteta putem algoritama koji donose odluke u realnom vremenu o tome kako najbolje sprovesti eksperimente, mogućnosti visoke propusnosti da bi se odigrali evolucioni ishodi mnogi vremena i kvantitativno prikupljanje podataka u realnom vremenu— stvari se dešavaju brže.“
Izlaz iz automatizovanih adaptivnih laboratorijskih mašina za evoluciju su sojevi bakterija koje dobro rastu u čašama veličine šoljice za kafu. Komercijalna bioproizvodnja zahteva još jedan korak: povećanje proizvodnje na hiljade litara.
„Uvećanje veličine je ključ za komercijalnu primenu bioproizvodnje“, rekao je Palsson. „Mašina za automatizovanu laboratorijsku evoluciju koju smo kreirali u UC San Diego je ključna za pretvaranje konstruisanih sojeva bakterija u sojeve koji uspevaju u industrijskim okruženjima fermentacije. Ali i dalje vam je potrebna biolivnica ili pilot postrojenje da biste shvatili proces inženjering—i obučavanje buduće radne snage—potrebne za uspešno povećanje.“
Da bi procesi bioproizvodnje funkcionisali, na primer, zahteva preciznu kontrolu sredine u kojoj žive mikrobi. Kada pređete na velike rezervoare za fermentaciju, imate dodatni posao da biste bili sigurni da će ono što je radilo u čaši funkcionisati u velikoj skala okruženje.
U slučaju melatonina, ovo povećanje je urađeno u Danskoj u pilot postrojenju u Centru za bioodrživost Fondacije Novo Nordisk pod rukovodstvom dr Andreasa Vorberga, gde je donedavno Palsson bio i izvršni direktor Centra, pored toga na svoju ulogu u UC San Diego. Sa sedištem na Tehničkom univerzitetu u Danskoj, ovaj istraživački centar je fokusiran na razvoj aplikacija u stvarnom svetu za one vrste napretka genomskog inženjeringa koji Palssonov tim, i drugi širom zemlje i sveta, već godinama stvaraju.
„Inžinjerske škole u Sjedinjenim Državama treba da razviju pristupe za bioproizvodnju,“ rekao je Palsson. U 50-im i 60-im godinama kada su mikroorganizmi počeli masovno da proizvode antibiotike fermentacijom, postojale su fermentacione fabrike na univerzitetima u SAD. „Ove kapacitete treba obnoviti. Istovremeno, ta tehnologija fermentacije je stara 80 godina. Takođe treba da razvijemo fundamentalno nove tehnologije i inženjerske pristupe za povećanje i proizvodnju“, rekao je Palsson.
U razgovoru sa kolegama iz industrije, Palsson je rekao da je jasno da će povećanje obima biti usko grlo kada je u pitanju da li će se SAD pojaviti kao globalni lider u biološkoj proizvodnji sledeće generacije. „Ljudi sada mogu da urade sve vrste uređivanja genoma i sve vrste maštovite sintetičke biologije. Automatizovana laboratorijska evoluciona mašina koju smo napravili u UC San Diego je kritična za ovaj proces uzimanja novih konstruisanih sojeva bakterija i pretvaranja u sojeve koji napreduju u okruženja za fermentaciju u industrijskoj skali. Ali postići da projektovani sojevi efikasno funkcionišu u velikim razmerama je još jedan težak korak. Morate da imate biolivnicu ili pilot postrojenja kako biste pomogli u povećanju i pružili mogućnosti obrazovne obuke za procesne inženjere, hemijski inženjeri, bioinženjeri, sistemski inženjeri koji su apsolutno ključni za budući uspeh bioproizvodnje u Sjedinjenim Državama.“
Palsson je od samog početka bio uključen u projekat melatonina, prvo u Centru za bioodrživost Fondacije Novo Nordisk, a sada kao član odbora u Conarium Biovorks, kompaniji sa sedištem u Merilendu, koja je licencirala relevantnu intelektualnu svojinu od Tehničkog univerziteta Danske. Dobro poznat kao sredstvo za spavanje, melatonin se takođe koristi u sve većoj listi primena u kozmetici, poljoprivredi i vellness proizvodima.
„Koliko znamo, naš melatonin je jedan od prvih mejnstrim potrošačkih proizvoda koji zamenjuje sintetičko jedinjenje jedinjenjem koje će se u potpunosti proizvoditi kroz bioproizvodnju“, rekao je Stin Nisen, izvršni direktor Conarium Biovorks, kompanije koja je licencirala intelektualnu imovinu za ovaj proizvodni proces sa Tehničkog univerziteta Danske.
Velika većina komercijalnih materijala koji se trenutno proizvode kroz bioproizvodnju služe kao međuproizvodi koji se integrišu u tradicionalne proizvodne procese. Jedan od ranih pionira ove vrste bioproizvodnje je Genomatica, koja je sada svetski lider u bioproizvodnji širokog spektra hemijskih sirovina. Ovu kompaniju sa sedištem u San Dijegu suosnivali su alumnus bioinženjeringa UC San Diego Christophe Schilling, zajedno sa Palssonom, koji je bio njegov doktor nauka. savetnik. Na UC San Diego Jacobs School of Engineering, Palsson drži I.C. Fung Endoved Katedra za bioinženjering.
