U radu bioproizvodnje, rezervoari mikroba su fino podešeni za proizvodnju jedinjenja koja se mogu koristiti kao ugljen-neutralna goriva, hemikalije, materijali i lekovi, ali istraživači još uvek uče osnove kako da turbo-punjaju mikrobe za proizvodnju. U tom cilju, inženjeri sa Vašingtonskog univerziteta u Sent Luisu istražili su ulogu ATP-a u mikrobnom metabolizmu.
Adenozin-5′-trifosfat (ATP) je primarna energetska valuta koja podstiče mnoge ćelijske procese, ali njegovi nivoi variraju kod mikroba koji se koriste u proizvodnji, tako da je od ključnog značaja da se mapiraju veze između nivoa ATP-a i rasta mikroba i kvaliteta hranljivih materija i kako što utiče na prinose mikrobnih proizvoda.
Fuzhong Zhang, profesor energetskog, ekološkog i hemijskog inženjerstva na McKelvei School of Engineering i ko-direktor Centra za istraživanje naprednih materijala za proizvodnju sintetičke biologije (SMARC), vodio je istraživanje kako bi razumeo dinamiku ATP-a u različitim uslovima fermentacije i razvio je isplativ pristup za poboljšanje bioproizvodnje kroz suplementaciju izvora ugljenika koji promovišu ATP. Rezultati su objavljeni 21. juna u časopisu Nature Communications.
„Ova studija ima široke implikacije za razumevanje homeostaze mikrobne energije, optimizaciju procesa bioproizvodnje i identifikaciju izvora metaboličkog opterećenja“, rekao je Ksiniue Mu, dr. student u Džangovoj laboratoriji i prvi autor rada.
Ovaj rad je koristio genetski kodirani ATP biosenzor za istraživanje brzih promena koncentracije ATP-a u različitim mikrobnim ćelijama i uslovima fermentacije. Otkrili su da hranjenje mikroba različitim izvorima ugljenika dovodi do veoma različite dinamike ATP-a.
Među testiranim ugljenicima koji se obično koriste za fermentaciju, acetat je izazvao najviše ATP nivoe u E. coli, dok Pseudomonas putida, mikrobni soj koji se široko koristi u industriji fermentacije, preferira masnu kiselinu koja se zove oleat.
„Normalno, ne biste pomislili da je acetat dobar izvor ugljenika za E. coli“, rekao je Mu, napominjući da se acetat smatra nusproizvodom metabolizma glukoze, nešto što E. coli izlučuje kada jede glukozu. „Zapravo, dajući ga acetatom, vidimo viši nivo ATP-a povezan sa povećanim prinosom ciljnih proizvoda.“
Takođe je dobra vest za korišćenje acetata kao sirovine jer istraživači u McKelvei Engineering-u takođe rade na metodama koje mogu da konvertuju ugljen-dioksid u acetat.
P. putida proizvodi bioplastiku koja se zove polihidroksialkanoat (PHA). U ovom slučaju, hranjenje P. putida njegovom željenom sirovinom — masnim kiselinama — značajno je povećalo sadržaj PHA, prinose i produktivnost.
Pored pronalaženja korisnih izvora ugljenika za fermentaciju, ATP biosenzor je takođe osvetlio komplikovane metaboličke procese ćelija.
Limonen se može proizvesti mikrobiološki i koristiti kao obnovljivi rastvarač ili gorivo za mlazne avione, ali njegova bioproizvodnja drastično usisava ATP i smanjuje rast ćelija, kao i prinos limonena.
Koristeći ATP biosenzor, oni počinju da razumeju kako ekspresija enzima biosinteze limonena utiče na ravnotežu ATP-a i kako da u skladu sa tim podese ekspresiju enzima da bi se održali visoki prinosi.
„Ovaj rad ne samo da razjašnjava odnos između dinamike ATP-a i bioproizvodnje, već nudi jednostavnu i efikasnu strategiju za poboljšanje bioproizvodnje odabirom sirovine korisne za ATP. Korisno je za različite sisteme bioproizvodnje,“ rekao je Zhang.
