Masa Depan Teknik Metabolik: Designer Molekul, Sel dan Mikroorganisme

Livejurnal69 - Akankah kita satu hari merancang dan membuat molekul, sel dan mikroorganisme yang menghasilkan produk kimia yang spesifik dari yang sederhana, mudah-tersedia, bahan awal yang murah? Apakah kimia organik sintetik kini digunakan untuk memproduksi obat farmasi, plastik dan sejumlah produk lainnya akhirnya akan dikalahkan oleh rekayasa metabolik sebagai andalan industri kimia kita? Ya, menurut Jay Keasling, insinyur kimia dan salah satu praktisi terkemuka di dunia teknik metabolisme.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal Science Keasling membahas potensi rekayasa metabolik - salah satu teknik utama bioteknologi modern - untuk produksi mikroba dari banyak bahan kimia yang saat ini berasal dari sumber daya yang tidak terbarukan atau sumber daya alam yang terbatas. Contohnya termasuk, antara lain kemungkinan besar, penggantian bensin dan bahan bakar transportasi lainnya dengan biofuel bersih, hijau dan terbarukan.

"Lanjutan pengembangan alat-alat teknik metabolik akan diperlukan untuk memperluas jangkauan produk yang dapat diproduksi menggunakan sistem biologi, Keasling kata." Namun, ketika lebih dari alat-alat yang tersedia, rekayasa metabolik harus sama kuatnya dengan organik sintetis kimia, dan bersama-sama dua disiplin sangat dapat memperluas jumlah produk kimia yang tersedia dari sumber daya terbarukan. "

Keasling adalah chief executive officer untuk Joint bioenergi Institute, sebuah Departemen Energi AS (DOE) pusat riset bioenergi. Dia juga memegang janji bersama dengan Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), di mana ia mengawasi program biosciences bahwa lembaga riset, dan University of California (UC), Berkeley, di mana ia menjabat sebagai direktur Synthetic Biologi Engineering Research Center, dan adalah Howe Hubbard Jr Profesor terhormat Teknik Biokimia.

rekayasa metabolik adalah praktek mengubah gen dan jalur metabolisme dalam sel atau mikroorganisme untuk meningkatkan produksi suatu zat tertentu. Keasling memimpin salah satu upaya paling sukses hingga saat ini dalam penerapan teknik metabolik, ketika ia digabungkan dengan teknik kimia sintetik organik untuk mengembangkan alat berbasis mikroba menghasilkan artemisinin, yang paling ampuh dari semua obat anti-malaria. Dia dan kelompok riset di JBEI kini menerapkan bahwa kombinasi yang sama untuk sintesis bahan bakar transportasi cair dari biomassa lignoselulosa. Dalam semua kasus, tujuannya adalah untuk insinyur mikroba untuk melakukan sebanyak kimia yang diperlukan untuk menghasilkan produk akhir yang diinginkan mungkin.

"Untuk saat ini, produksi mikroba produk kimia alami telah dicapai dengan memindahkan enzim khusus produk atau jalur metabolisme seluruh dari langka atau genetis organisme keras kepada mereka yang dapat dengan mudah direkayasa," kata Keasling. "Produksi bahan kimia khusus non-alami, bahan kimia, dan bahan bakar telah diaktifkan dengan mengkombinasikan enzim atau jalur dari host yang berbeda menjadi sebuah mikroorganisme tunggal, dan dengan enzim rekayasa untuk memiliki fungsi baru."

Upaya ini telah dimanfaatkan terkenal, mikroorganisme industri, tetapi upaya masa depan, katanya, mungkin termasuk molekul desainer dan sel-sel yang dibuat khusus untuk bahan kimia yang diinginkan dan proses produksi.

"Di masa mendatang pun, rekayasa metabolisme akan segera saingan dan berpotensi gerhana kimia organik sintetik," kata Keasling.

Keasling mengutip produksi bahan aktif farmasi sebagai salah satu area di mana rekayasa metabolik menikmati keuntungan yang berbeda atas kimia organik sintetik. Ini mencakup tiga kelas khusus bahan kimia - alkaloid, yang terutama berasal dari tanaman; poliketida dan peptida non-ribosom, yang dihasilkan oleh berbagai bakteri dan jamur, dan isoprenoidnya, yang juga biasanya diproduksi oleh mikroba.

"Banyak produk-produk alami yang terlalu rumit untuk disintesis secara kimia, namun memiliki nilai yang membenarkan biaya mengembangkan rekayasa genetika mikroorganisme," kata Keasling. "Biaya bahan awal umumnya sebagian kecil dari biaya lengkap produk ini, dan starting material relatif sedikit yang diperlukan sehingga ketersediaan tidak masalah."

Keasling juga mengatakan bahwa rekayasa metabolisme bisa memberikan alternatif yang berharga sarana produksi variasi terpene, hidrokarbon senyawa umum untuk resin dari tumbuhan runjung, dalam bentuk yang dapat menghasilkan obat-obatan yang lebih efektif untuk pengobatan penyakit manusia daripada bentuk bahwa alam telah disediakan.

Mungkin target ripest kesempatan bagi masa depan upaya rekayasa metabolisme adalah produk kimia minyak bumi berbasis massal, termasuk bahan bakar bensin dan lainnya, polimer dan pelarut. Karena produk tersebut dapat murah dikatalisis dari minyak bumi, produksi mikroba telah sampai sekarang sudah jarang, tetapi dengan harga minyak berfluktuasi, sumber daya semakin menipis dan pertimbangan lainnya, situasi, Keasling mengatakan, telah berubah.

"Sekarang mungkin untuk mempertimbangkan produksi bahan kimia curah murah dari bahan murah mulai, seperti pati, sukrosa, atau biomassa selulosa dengan katalis mikroba," katanya. "Kunci untuk memproduksi bahan kimia curah dalam metabolisme sel-direkayasa akan kemampuan kita untuk membuat molekul yang tepat yang dibutuhkan untuk produk yang sudah ada bukan sesuatu yang 'serupa tetapi hijau' yang akan membutuhkan pengujian produk yang ekstensif sebelum dapat digunakan."

Dalam makalah Ilmu-Nya, Keasling membahas hambatan tangguh yang berdiri di jalan masa depan di mana mikroorganisme dan molekul bisa tailor-made melalui rekayasa metabolik, termasuk kebutuhan untuk "rutinitas debugging" yang dapat menemukan dan memperbaiki kesalahan dalam sel direkayasa. Namun, dia yakin hambatan ini bisa dan akan bisa diatasi.

"Satu bahkan bisa membayangkan hari ketika manufaktur sel dilakukan oleh perusahaan yang berbeda, masing-masing mengkhususkan diri dalam aspek-aspek tertentu dari sintesis, dengan satu perusahaan membangun kromosom, satu perusahaan bangunan dan tas membran dinding sel, dan satu perusahaan mengisi tas ini dengan molekul dasar yang diperlukan untuk boot sel. "

Bersama Bioenergi Institute (JBEI) adalah salah satu dari tiga Bioenergi Pusat Penelitian yang didanai oleh Departemen Energi AS untuk memajukan perkembangan generasi berikutnya biofuel. Ini adalah kemitraan ilmiah yang dipimpin oleh Berkeley Lab dan termasuk Sandia National Laboratories, kampus Universitas California Berkeley dan Davis, Carnegie Institution Ilmu Pengetahuan, dan Lawrence Livermore National Laboratory.

Rekayasa Biologi Synthetic Research Center (SynBERC) adalah kemitraan multi-institusi, didanai oleh National Science Foundation, yang bertujuan "membuat biologi mudah untuk insinyur." Kemitraan SynBERC ini dipimpin oleh UC Berkeley dan termasuk UC San Fransisco, Harvard, MIT, Stanford, dan Prairie View A & M University.