نیوزویز – استفاده از میکروب‌های مهندسی شده به‌عنوان کارخانه‌های میکروسکوپی، منابع پایدار داروهای نجات‌بخش را در اختیار جهان قرار داده است، صنعت غذا را متحول کرده و به ما اجازه می‌دهد تا نسخه‌های پایداری از مواد شیمیایی ارزشمندی که قبلاً از نفت ساخته شده‌اند، بسازیم.
اما پشت هر محصول ارگانیک موجود در بازار امروز سرمایه‌گذاری سال‌ها کار و میلیون‌ها دلار در بودجه تحقیق و توسعه وجود دارد. دانشمندان آزمایشگاه برکلی می‌خواهند با تسریع و ساده‌سازی فرآیند مهندسی میکروب‌ها برای تولید ترکیبات مهم با کارایی تجاری، به صنعت در حال رشد کمک کنند تا به ارتفاعات جدیدی دست یابد.
تیمی به رهبری دانشمند ارشد Aindrila Mukhopadhyay جریان کاری ایجاد کرده اند که ویرایش ژن CRISPR را با مجموعه ای از مدل های محاسباتی بیان ژن میکروبی و فعالیت آنزیمی ترکیب می کند که می تواند برای پیش بینی ویرایش های ژن لازم استفاده شود. آخرین کار آنها اخیرا در منتشر شده است گزارش های سلولی.
بخش اعظم طراحی ولتاژ هنوز بر اساس آزمون و خطا است، که پر زحمت و زمان بر است. ما نشان داده‌ایم که با جفت کردن رویکردهای هدفمند که بر روی ژن‌ها و پروتئین‌های خاص تمرکز می‌کنند با روش‌هایی که کل ژنوم را مدل‌سازی می‌کنند، می‌توانید چرخه‌های توسعه محصول را از سال‌ها به ماه‌ها کاهش دهید.” در موسسه مشترک بیوانرژی (JBEI)، یک مرکز تحقیقات انرژی زیستی بخش انرژی به رهبری منطقه علوم زیستی آزمایشگاه برکلی.
گردش کار که جفت سازی بستر محصول (PSP) نامیده می شود. قبلاً قول بزرگی نشان داده است برای مهندسی سویه هایی که می توانند منابع غذایی باکتریایی رایج را به مولکول های هدف تبدیل کنند. اما برای نشان دادن قدرت واقعی این رویکرد، کار جدید آنها بر روی توسعه سویه‌ای متمرکز شد که می‌تواند از مولکول‌های مشتق شده از لیگنین، نوعی بافت گیاهی سخت و فیبری تغذیه کند. لیگنین یک پیش ساز محیطی ایده آل برای تغذیه میکروب ها در تولید زیستی است زیرا در صدها میلیون تن ضایعات گیاهی که هر ساله از محصولات پس از برداشت و پاکسازی چشم انداز تولید می شود فراوان است. در حال حاضر، بیشتر فرآیندهای تولید زیستی به مولکول‌های قند ساده مشتق شده از محصولاتی که مخصوصاً رشد می‌کنند به نام مواد اولیه متکی هستند، اما دانشمندان JBEI امیدوارند با استفاده مجدد از لیگنین فراوان موجود، تولیدات زیستی را تجدیدپذیرتر و کربن خنثی‌تر کنند.
این تیم با سویه‌ای از باکتری‌ها شروع کردند که به طور طبیعی می‌توانند از مشتق لیگنین تغذیه کنند، سپس از PSP برای بررسی اینکه کدام ژن‌های بومی باید حذف شوند، چه ژن‌های غیربومی باید وارد شوند و چه شرایط کشت برای باکتری‌ها نیاز است، استفاده کردند. سطوح بالایی از ترکیب غیر بومی را تولید می کند. هزاران طرح محاسباتی مورد ارزیابی قرار گرفتند و در نهایت دو مورد در آزمایشگاه آزمایش شدند. در این مورد، آنها باکتری‌ها را ویرایش کردند تا ایندیگویدین، رنگ آبی با کاربردهای بسیار خاص خود را تولید کنند که به عنوان ذخیره خوبی برای سایر مولکول‌های مورد نظر نیز عمل می‌کند. از طریق دورهای تکراری مدل‌سازی رایانه‌ای و کشت در دنیای واقعی و تجزیه و تحلیل سویه‌های اصلاح‌شده با CRISPR، نویسندگان یک گردش کار قابل تعمیم را نشان دادند که زیربنای طراحی کرنش آزمون و خطا را حذف می‌کند.
Deepanwita Banerjee، یکی از نویسندگان این مقاله، که دانشمند تحقیقات محاسباتی در گروه مهندسی میزبان JBEI است، می گوید: «سس ویژه از نحوه ادغام ابزارهای تثبیت شده با یکدیگر برای ایجاد جریان کاری قابل اجرا برای هر میکروب و هر فرآیند زیستی ناشی می شود. مقاله تغییر پارادایم ما روشی منطقی و کارآمد برای ساخت و آزمایش سویه‌ها را نشان می‌دهد که بر اساس نحوه رفتار سلول‌ها در هر مرحله از چرخه رشد است. این یک گام بزرگ به سوی درک پیش بینی عملکرد سلول است.
این تیم همچنین از تخصص و ابزار آزمایشگاه برکلی برای توصیف کامل کارخانه‌های میکروبی خود از طریق موضوعات مختلف استفاده کردند. کریستوفر جی. پتزولد و گروه ژنومیکس عملکردی JBEI از روش‌های پرتوان استفاده کردند تا به سرعت مشخص کنند که چگونه سویه‌ها بیان پروتئین خود را برای این هدف جدید تغییر می‌دهند. کارولین لارابل، دانشمند ارشد دانشکده علوم زیستی، و تیمش توموگرافی اشعه ایکس نرم را در منبع نور پیشرفته انجام دادند تا تصاویری با وضوح فوق العاده بالا ارائه دهند که به شناسایی سلول هایی که برای تولید زیستی مناسب هستند کمک می کند. در نهایت، بلیک سیمونز و دانشمندان بخش ساختارشکنی JBEI راهنمایی و نمونه‌های سورگوم غنی از لیگنین را برای نشان دادن نحوه عملکرد این فرآیند تولید زیستی در محیط‌های واقعی ارائه کردند.
پس از حدود یک سال کار، تیم توانست یک سویه با بازده بسیار بالا 77 درصد ایجاد کند.
Mukhopadhyay، معاون رئیس بخش سوخت های زیستی و محصولات زیستی و مدیر مهندسی میزبان در JBEI، گفت: “کل شرکت تولید زیستی پایدار به توانایی ما در استفاده از طیف گسترده ای از مواد اولیه بستگی دارد.” با این حال، روش‌های فردی ممکن است با دانش ناقص ما از پیش‌سازهای کمتر شناخته شده محدود شوند. گردش کار مجموعه ما از ابزارهای توسعه‌یافته استفاده می‌کند و باید برای بسیاری از منابع کربن، سیستم‌های میکروبی و اهداف تولید زیستی قابل اجرا باشد.
###
در سال 1931 با این اعتقاد که بزرگترین چالش های علمی به بهترین وجه توسط تیم ها حل می شود، تاسیس شد. آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و دانشمندان آن با 16 جایزه نوبل شناخته شده اند. امروزه، محققان آزمایشگاه برکلی انرژی پایدار و راه‌حل‌های زیست‌محیطی را توسعه می‌دهند، مواد مفید جدید ایجاد می‌کنند، مرزهای محاسبات را پشت سر می‌گذارند و اسرار حیات، ماده و جهان را کشف می‌کنند. دانشمندان از سراسر جهان برای اکتشافات علمی خود به امکانات آزمایشگاه متکی هستند. آزمایشگاه برکلی یک آزمایشگاه ملی چند برنامه ای است که توسط دانشگاه کالیفرنیا برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود.
دفتر علوم DOE بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science.
