211service.com
Cellfri biotillverkning för billigare, renare kemikalier
Bioteknologer har genmanipulerat bakterier och andra mikrober för att producera biobränslen och kemikalier från förnybara resurser. Men komplexa metaboliska vägar i dessa levande organismer kan vara svåra att kontrollera, och de önskade produkterna kan vara giftiga för mikroberna. Tänk om du kunde eliminera den levande cellen helt och hållet?
Bryggningsbiokemi: Greenlight Biosciences forskare Kamil Gedeon (sittande) och Stephanie DeMarino (stående) övervakar en kultur av bakterier som är konstruerade för att producera enzymer för cellfri kemisk syntes.
Greenlight Biosciences, en startup i Boston-området, konstruerar mikrober för att göra olika enzymer som kan producera kemikalier och bryter sedan upp insekterna för att skörda dessa enzymer. Forskarna behöver inte göra sig besväret med att isolera enzymerna från det andra cellulära materialet; istället tillsätter de kemikalier för att hämma oönskade biokemiska reaktioner. Genom att blanda uppslamningar baserade på olika mikrober med sockerarter och andra kolbaserade råvaror kan företaget generera komplexa reaktioner för att producera en mängd olika kemikalier. Greenlight säger att dess teknologi gör det möjligt för företaget att göra billigare versioner av befintliga kemikalier och har redan producerat en livsmedelstillsats, läkemedelsprodukter och bekämpningsmedel och herbicider.
Den största motivationen för att starta företaget var att ta reda på hur man producerar sådana föreningar på ett mer miljövänligt sätt, säger vd. Andrey Zarur . Men Greenlights produkter måste också vara billigare än de som produceras av kemisk eller cellbaserad tillverkning, säger han, annars kommer industrierna att vara ovilliga att använda dem.
Greenlights strategi är en avvikelse från klassiska jäsningsprocesser som är beroende av kar med levande mikrober. Det är också till skillnad från en annan metod för genteknik, ofta kallad syntetisk biologi, som justerar vägarna i mikrober så att de är optimerade för att tillverka önskvärda föreningar. Flera företag tillverkar bakterier och jäst för att producera specialkemikalier, men för det mesta håller dessa grupper insekterna vid liv. Amyris, till exempel, kan tillverka biobränslen, mediciner och kemikalier som används i kosmetika och smörjmedel genom att konstruera mikrober med nya uppsättningar enzymer som kan modifiera sockerarter och andra utgångsmaterial (se Amyris tillkännager kommersiell produktion av biokemikalier och mikrober kan massproducera malarialäkemedel ). Metabolix har konstruerat bakterier för att producera biologiskt nedbrytbar plast (se A Bioplastic Goes Commercial).
Ett problem med den strategin är att när bakterier och andra mikrober förvandlas till levande kemiska fabriker måste de fortfarande lägga lite resurser på att odla istället för kemisk produktion, säger Mark Styczynski , en metabol ingenjör och systembiolog vid Georgia Institute of Technology. Dessutom är ämnesomsättningen komplicerad även i en till synes enkel bakterie. Metaboliska vägar har komplex reglering inom dem och över dem, säger han. Att ändra en metabolisk väg för att förbättra kemisk produktion kan få breda och ibland negativa konsekvenser för resten av cellen.
Att skilja produktionsvägen från cellens behov kan alltså vara en stor fördel, säger han. Greenlight undviker inte helt mikrober. I företagets soliga laboratorieutrymme norr om Boston använder forskare bubblande bioreaktorer för att odla bakterier i flytande kultur, och upprätthålla olika arter och stammar som kan producera en mängd olika enzymer. När insekterna har nått en viss densitet skickar forskarna dem genom en högtrycksextruder för att bryta dem i bitar. Sedan lägger de till droger till den resulterande grå uppslamningen för att stänga av de flesta av cellernas metaboliska enzymer; de användbara enzymerna är opåverkade eftersom de har konstruerats för att motstå läkemedlen.
Tekniken som håller de exponerade ämnesomsättningsvägarna i funktion utvecklades av James Swartz , en biokemisk ingenjör vid Stanford University som lämnade sin tjänst som proteiningenjör på bioteknikföretaget Genentech för att utveckla cellfria metoder för att producera farmakologiska proteiner (insulin är ett exempel på ett läkemedelsliknande protein som kan produceras med bioteknik). Efter att ha sökt mer kontroll över det biologiska maskineriet som producerar proteiner, kom Swartz på hur man kan ge det maskineriet den biokemiska miljön den behövde även utanför sitt normala hem i en cell. Inte bara gjorde hans metoder det möjligt för honom att göra mer komplexa proteiner, utan det visade sig att de också kunde användas för att kontrollera biologiska maskiner för att göra små molekyler och kemikalier. Vi har funnit att genom att reproducera de kemiska förhållanden som uppstår inuti cellen aktiverar vi många metaboliska processer, även sådana som folk tyckte var för komplicerade, säger han.
Greenlight kan felsöka och justera den metaboliska produktionen av kemikalier på ett sätt som är mer likt kemiteknik än något annat som finns i typisk mikrobiell teknik. De cellfria uppslamningarna är aktiva i 96 timmar innan enzymerna börjar brytas ned. Vid den tidpunkten måste en ny sats mikrober odlas.
En av cellens skönheter är att den är självreplikerande, säger David Berry, en princip på Flagship Ventures, som var med och grundade biobränsleföretagen LS9 och Joule Unlimited. (Berry är en 2007 MIT Technology Review Innovator Under 35 .) Men även om ett cellfritt system går miste om den fördelen, finns det andra fördelar, som överlägsen flexibilitet. Det finns potential att arbeta med fler input och att komma runt situationer där vissa vägar för närvarande inte fungerar på grund av cellens behov, säger Berry.
Zarur säger att Greenlight kan ha sin första produkt på marknaden i början av nästa år. Det blir ett kosttillskott med hälsofördelar, säger han.
Företaget har också fått ett anslag på 4,5 miljoner dollar från ARPA-E för att utveckla ett system för att omvandla metan, huvudingrediensen i naturgas, till flytande bränsle. Byrån säger att sådan teknik skulle kunna göra det möjligt för mobila fermentorer att få tillgång till avlägsna naturgaskällor för låg kostnad omvandling av naturgas till flytande bränsle.