耐酸酵母模型有助于指导工业有机酸生产

2020-11-10 130酵母菌

微生物和其他微观生物可以作为可持续的 "工厂",制造多种类型的工业材料,因为它们能自然地将糖类等营养物质转化为副产品。然而,从可再生资源中创造工业量的有机酸是一个挑战,因为没有多少生物能在高酸性环境中生长。耐酸酵母模型有助于指导工业有机酸生产,在基因编辑和计算建模工具的帮助下,一个研究小组探索了一种可以在酸性产品创造的恶劣环境中生存的酵母。

耐酸酵母模型有助于指导工业有机酸生产

该团队包括宾夕法尼亚州立大学、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和普林斯顿大学的研究人员,研究了酵母菌株Issatchenkia orientalis,它被认为是一种 "非模型 "酵母,因为它没有得到广泛的研究。在将该酵母的新陈代谢重构为网络模型后,研究小组研究了其在不同原料上的生长情况以及随后的副产品。该菌株能够生产琥珀酸,这是工业聚合物生产的前体。该团队在《代谢工程通讯》上报告了其成果。

研究内容

研究人员利用基因测序、基因编辑和复杂的计算建模相结合的方法,精确地指出哪些代谢活动可以改变,以最大限度地生产琥珀酸,而不损害酵母。

"高效的CRISPR-Cas工具的出现,可以在一次通过中进行多种遗传干预,这强调了开发预测模型和算法的必要性,以建议实施哪些多种遗传修饰,"宾夕法尼亚州立大学唐纳德B.Broughton化学工程教授和计算与数据科学研究所副研究员Costas Maranas说,他共同领导了这项研究。

研究人员称,这种计算量大的方法在宾夕法尼亚州立大学的Roar超级计算机上运行,对帮助完善研究方向非常重要。I. orientalis模型涵盖了850个基因,包含1826个代谢反应,因此确定修改基因和反应的正确组合以产生琥珀酸就成了大海捞针式的问题。运行数以千计的计算机模拟筛选出干草,并提供了一套更狭窄的实验来在实验室中进行测试。

"有了这种方法,我们可以比依靠纯粹的实验主义方法更快地对重新设计假设进行排序,"宾夕法尼亚州立大学化学工程博士后学者Patrick Suthers说。"我们的合作者致力于开发专门针对这种生物体的遗传工具,但即使使用他们的工具,进行修改也需要更长的时间。"

该团队的分析使用了OptKnock,这是Maranas小组之前开发的一个优化框架,作为计算建模的一部分。

将计算技术与传统实验相结合,不仅为模型提供了表型测量的信息,而且还使研究人员能够确保他们的模型预测准确。

"创建模型的一个关键部分是能够说,是的,我们的预测确实有意义,"Suthers说。"在这种情况下,我们小组专注于从生物体的基因组中获取信息,我们的合作者已经对其进行了测序。然后,我们把基因组转换成可以在细胞中发生的功能。"

结果是一个酵母模型,可以用于任何方式

耐酸酵母模型有助于指导工业有机酸生产,"现在我们有了这个全面的基因组规模的模型,我们可以查看生物体的生长速度和通量等事情,我们可以确定代谢系统中的关键反应,"Suthers说。"我们还可以加入新的基因来制造新类型的产品。"

引用

Penn State. "Model for acid-tolerant yeast helps guide industrial organic acid production." ScienceDaily. ScienceDaily, 4 November 2020. www.sciencedaily.com/releases/2020/11/201104121440.htm.

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