Bioproduzione senza cellule per prodotti chimici più economici e più puliti

I biotecnologi hanno geneticamente modificato batteri e altri microbi per produrre biocarburanti e sostanze chimiche da risorse rinnovabili. Ma le complesse vie metaboliche in questi organismi viventi possono essere difficili da controllare e i prodotti desiderati possono essere velenosi per i microbi. E se potessi eliminare del tutto la cellula vivente?

Biochimica della birra: I ricercatori di Greenlight Biosciences Kamil Gedeon (seduto) e Stephanie DeMarino (in piedi) monitorano una coltura di batteri progettati per produrre enzimi per la sintesi chimica senza cellule.

Greenlight Biosciences, una startup nell'area di Boston, progetta microbi per produrre vari enzimi in grado di produrre sostanze chimiche e quindi rompe gli insetti per raccogliere quegli enzimi. Gli scienziati non devono prendersi la briga di isolare gli enzimi dall'altro materiale cellulare; invece, aggiungono sostanze chimiche per inibire le reazioni biochimiche indesiderate. Mescolando fanghi a base di diversi microbi con zuccheri e altre materie prime a base di carbonio, l'azienda può generare reazioni complesse per produrre una varietà di sostanze chimiche. Greenlight afferma che la sua tecnologia consente all'azienda di realizzare versioni più economiche dei prodotti chimici esistenti e ha già prodotto un additivo alimentare, prodotti farmaceutici e pesticidi ed erbicidi.

La più grande motivazione nell'avvio dell'azienda è stata quella di capire come produrre tali composti in un modo più rispettoso dell'ambiente, afferma il CEO Andrey Zaru . Ma i prodotti di Greenlight devono anche essere più economici di quelli prodotti dalla produzione chimica o cellulare, dice, o le industrie saranno riluttanti a usarli.

La strategia di Greenlight è un allontanamento dai classici processi di fermentazione che dipendono da tini di microbi viventi. È anche diverso da un approccio diverso all'ingegneria genetica, spesso chiamato biologia sintetica, che modifica i percorsi nei microbi in modo che siano ottimizzati per fabbricare composti desiderabili. Diverse aziende stanno progettando batteri e lieviti per produrre prodotti chimici speciali, ma per la maggior parte questi gruppi mantengono in vita gli insetti. Amyris, ad esempio, può produrre biocarburanti, medicinali e prodotti chimici utilizzati nei cosmetici e nei lubrificanti ingegnerizzando i microbi con nuovi set di enzimi in grado di modificare gli zuccheri e altri materiali di partenza (vedi Amyris annuncia che la produzione commerciale di sostanze biochimiche e microbi può produrre in serie farmaci contro la malaria ). Metabolix ha progettato batteri per produrre plastica biodegradabile (vedi A Bioplastica diventa commerciale).

Un problema con quella strategia è che quando i batteri e altri microbi vengono trasformati in fabbriche chimiche viventi, devono ancora investire alcune risorse nella crescita invece che nella produzione chimica, afferma Mark Styczynski , ingegnere metabolico e biologo dei sistemi presso il Georgia Institute of Technology. Inoltre, anche in un batterio apparentemente semplice, il metabolismo è complicato. I percorsi metabolici hanno una regolazione complessa al loro interno e attraverso di essi, dice. La modifica di una via metabolica per migliorare la produzione chimica può avere conseguenze ampie e talvolta negative per il resto della cellula.

Quindi, separare il percorso di produzione dai bisogni della cellula potrebbe essere un enorme vantaggio, dice. Greenlight non evita completamente i microbi. Nello spazio soleggiato del laboratorio dell'azienda a nord di Boston, i ricercatori utilizzano bioreattori gorgoglianti per far crescere batteri in colture liquide, mantenendo diverse specie e ceppi che possono produrre una varietà di enzimi. Una volta che gli insetti hanno raggiunto una certa densità, i ricercatori li inviano attraverso un estrusore ad alta pressione per romperli in pezzi. Quindi aggiungono farmaci al liquame grigio risultante per disattivare la maggior parte degli enzimi metabolici delle cellule; gli enzimi utili non sono influenzati perché sono stati progettati per resistere ai farmaci.

La tecnologia che mantiene in funzione le vie metaboliche esposte è stata sviluppata da James Swartz , un ingegnere biochimico della Stanford University che ha lasciato la sua posizione di ingegnere proteico presso la società di biotecnologie Genentech per sviluppare metodi senza cellule per la produzione di proteine ​​farmacologiche (l'insulina è un esempio di proteina simile a un farmaco che può essere prodotta dalla biotecnologia). Alla ricerca di un maggiore controllo sul macchinario biologico che produce proteine, Swartz scoprì come dare a quel macchinario l'ambiente biochimico di cui aveva bisogno anche al di fuori della sua normale dimora in una cellula. Non solo i suoi metodi gli hanno permesso di produrre proteine ​​più complesse, ma si è scoperto che potevano anche essere usati per controllare i macchinari biologici per produrre piccole molecole e sostanze chimiche. Abbiamo scoperto che riproducendo le condizioni chimiche che si verificano all'interno della cellula, attiviamo molti processi metabolici, anche quelli che le persone pensavano fossero troppo complicati, dice.

Greenlight può risolvere i problemi e modificare la produzione metabolica di sostanze chimiche in modi più simili all'ingegneria chimica di qualsiasi altra cosa trovata nella tipica ingegneria microbica. I fanghi privi di cellule sono attivi per 96 ore prima che gli enzimi inizino a degradarsi. A quel punto, deve essere coltivato un nuovo lotto di microbi.

Una delle bellezze della cellula è che si autoreplica, afferma David Berry, un principio di Flagship Ventures, che ha cofondato le società di biocarburanti LS9 e Joule Unlimited. (Berry è un 2007 Revisione della tecnologia del MIT Innovatore Under 35 .) Ma anche se un sistema senza cellule perde questo vantaggio, ci sono altri vantaggi, come una flessibilità superiore. C'è il potenziale per lavorare con più input e per aggirare situazioni in cui alcuni percorsi attualmente non funzionano a causa delle esigenze della cellula, dice Berry.

Zarur afferma che Greenlight potrebbe avere il suo primo prodotto sul mercato all'inizio del prossimo anno. Sarà un integratore alimentare con benefici per la salute, dice.

La società ha anche ricevuto una sovvenzione di 4,5 milioni di dollari dall'ARPA-E per sviluppare un sistema per convertire il metano, l'ingrediente principale del gas naturale, in combustibile liquido. L'agenzia afferma che tale tecnologia potrebbe consentire ai fermentatori mobili di accedere a fonti remote di gas naturale per la conversione a basso costo del gas naturale in combustibile liquido.

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