Классическая метаболическая инженерия: использование естественных метаболических сетей

Назад в будущее: Почему нам нужна энзимология для построения синтетического метаболизма будущего

Тобиас Дж. Эрб

 

Max-Planck-Институт земной микробиологии, кафедра биохимии и синтетического метаболизма, Karl-von-Frisch-Str. 10, D-35043 Марбург, Германия
LOEWE Center for Syntetic Microbiology (SYNMIKRO), Марбург, Германия

Приглашенный Редактор: K. N. Allen
Beilstein J. Org. Хим.. 2019, 15, 551–557. doi: 10.3762 / bjoc.15.49
Полученный 12 октября 2018 года, Принято 29 января 2019 года, Опубликованный 26 февраля 2019 года

Аннотация

Биология превращается из аналитической в синтетическую дисциплину. Это особенно очевидно в области метаболической инженерии, где недавно была разработана концепция синтетического метаболизма. По сравнению с классическими усилиями по метаболической инженерии, синтетический метаболизм направлен на создание новых метаболических сетей рациональным образом снизу вверх. Тем не менее, хотя теоретическая конструкция синтетических метаболических сетей достигла огромного прогресса, фактическая реализация таких синтетических путей все еще отсутствует. Это в основном из-за наших ограничений в открытии ферментов и инженерии, чтобы обеспечить части, необходимые для построения синтетического метаболизма. Здесь я обсуждаю текущие проблемы и ограничения в синтетической метаболической инженерии и выясняю, как современная ферментология может помочь построить синтетический метаболизм будущего.

Ключевые слова: ферменты; биохимия in vitro; метаболическая инженерия; синтетическая биология

 

Введение

Одним из наиболее важных и разрушительных событий в истории химии стало ее превращение из чисто аналитико-описательной в синтетически-конструктивную дисциплину, произошедшее более ста лет назад [1,2]. Понимание элементного состава вещества, а также природы и реакционной способности химической связи позволило химикам использовать свои знания для создания новых молекул и материалов [3,4]. Это развитие дало человечеству новые химические соединения, такие как цветные красители, фармацевтические препараты, а также полимеры и пластмассы. Учитывая ее преобразующий характер, нет никаких сомнений в том, что синтетическая химия была одной из ключевых стимулирующих технологий 20-го века, которая практически изменила мир, в котором мы живем. Биология в настоящее время находится на грани аналогичного перехода [5]. В течение последних десятилетий наша способность анализировать и манипулировать живыми системами обеспечила интеллектуальную, а также технологическую основу для создания биологических особенностей, которые являются новыми для природы.

Основная часть

Классическая метаболическая инженерия: использование естественных метаболических сетей

Фундаментальной особенностью живых систем является метаболизм, который можно определить как динамическую химию, позволяющую жизни организоваться в трех и четырех измерениях [6]. Невероятный метаболический потенциал биологии убедительно продемонстрирован более чем 2000 различными химическими превращениями, которые могут одновременно происходить внутри клетки Escherichia coli [7,8], а также более чем 200 000 различными молекулами, которые были выделены из различных биологических систем до сих пор [9]. Это разнообразие вдохновило поколения биологов использовать живые клетки в качестве небольших химических фабрик для производства химических веществ.

В прошлом многие усилия были сосредоточены на манипулировании метаболизмом клеток для получения целевой молекулы. Большинство этих подходов были основаны на концепции метаболической инженерии [10]. Согласно этой концепции, известные пути и ферменты манипулируются таким образом, что определенная молекула может быть получена с высокой чистотой и выходом из живой бактериальной клетки [7]. В отношении их сложности (Рисунок 1), эти классические подходы метаболической инженерии могут быть классифицированы как усилия уровня 1, т. е. оптимизация естественного пути в родном организме, или усилия уровня 2, т. е. трансплантация или реконструкция естественного пути в новом организме-хозяине [11].

Рисунок 1: Пять уровней метаболической инженерии и их определения в соответствии с [11]. Пространство ферментативного раствора описывает количество доступных ферментативных реакций. Пространство решения пути соответствует числу возможных путей, которые могут быть построены. В то время как на уровне 1, 2 и 3 усилия метаболической инженерии не различаются в пространстве ферментативных растворов, поскольку все они опираются на известные ферментативные реакции, на уровне 4 и 5 усилия метаболической инженерии строятся на новых ферментативных реакциях, что расширяет число решений пути.

Однако усилия классической метаболической инженерии ограничены тем, что они все еще связаны с существующими путями и реакциями, которые ограничивают доступность определенных соединений, а также эффективность, с которой эти соединения могут быть получены. В идеальном мире способ получения молекулы-мишени не должен диктоваться случайностью и ограничениями эволюции, но должен быть доступен через рациональное проектирование. Однако для этого требуется фундаментальное понимание тех принципов, которые необходимы для проектирования, реализации и эксплуатации многореакционных последовательностей и метаболических сетей de novo.