Kampen for at øge bæredygtigheden i vores hverdag foregår på mange platforme. En metode, der kan spare kloden for energispild og forurening, er at omdanne mikroorganismer til små fabrikker , der kan producere fødevarer, tekstiler og medicin. Da produktionen ikke er naturlig for mikroberne, må man gøre det attraktivt for dem at hjælpe os. Forskere har nu allieret sig med biosensorer for at lære mikroorganismerne så godt at kende, at de kan lokke dem til at arbejde endnu hårdere for os.
Bakterier og svampe har altid givet mennesket en hånd med alt fra brødbagning til medicinproduktionen. De seneste årtier er det i stigende grad lykkedes forskere at få mikroorganismer til ikke bare at producere mere af det, de i forvejen producerer, men også at hjælpe os med at producere stoffer, som de ikke naturligt producerer. Udfordringen ligger oftest ikke i at få mikroorganismer til at producere nyt, men derimod at få dem til at blive ved med det, fordi en fortsættelse af produktion af stoffer, som er ny for bakterier eller svampe, giver en evolutionær ulempe, og derfor mister de den nye evne igen. Dét problem er det nu lykkedes forskere at gøre noget ved.
”Tricket ligger i at skabe den evolutionære fordel, der gør, at det kan betale sig for mikroorganismerne at producere de nye stoffer. Til at finde frem til dem, får vi hjælp af biosensorer til at analysere deres metabolisme. Det er nu for første gang lykkedes at skabe en sådan evolutionær fordel i gær, så cellerne i de 55 generationer, vi fulgte dem, beholdt evnen til at producere vanillin og derved producerede 92 % mere af det end celler uden den indbyggede evolutionære fordel. Samme metode kan bruges i og revolutionære fremstillingen af både fødevarer, tekstiler og medicin,” forklarer seniorforsker Michael Krogh Jensen fra Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Danmarks Tekniske Universitet.
Et evolutionært hak i tuden
Vaniljeproduktion er et godt eksempel på en proces, hvor mikroorganismer kan skabe bæredygtighed. Produktionen af naturlig vanilje fra vaniljeorkideers bønner trækker nemlig store veksler på miljøet og fører til fældning af store skovarealer på Madagaskar og andre steder. Hvis gærsvampe i stedet kan fremstille stoffet vanillin, der udgør den største andel af naturlig vanilje, kan produktionen foregå i gæringstanke, så man ikke behøver at fælde træer. Forskerne kan sagtens i laboratoriet få gær til at producere vanillin, men når produktionen opskaleres, falder udbyttet.
”Problemet er, at gærsvampene ikke naturligt producerer vanillin, så rent energimæssigt får de ingen gevinst af at producere stoffet. Derfor kommer der et evolutionært pres for at lade være. Gærcellerne dropper derfor simpelthen produktionen efter nogle generationers vækst, fordi den er belastende energimæssigt, og fordi de er ikke afhængige af vanillin. Det er den afhængighed, vi har prøvet at skabe,” siger Michael Krogh Jensen.
For at få gærcellerne til at producere vanillin har forskerne splejset gener ind i gær, der koder for en række enzymer, der hver især bringer produktionen af vanillin et skridt nærmere slutproduktet. Gennem en grundig analyse af gærcellernes produktion fandt forskerne frem til, hvilket produktionstrin der udgjorde den største belastning for gærcellerne, og valgte så at koble netop dét trin til en særlig gevinst for cellerne.
”Når gærcellerne når til slutproduktet vanillin, har det krævet en så stor energimæssig belastning, at de ofte dumper gener, for at undgå denne belastning. Vi valgte derfor at koble netop produktionen af mellemprodukterne af vanillins biosyntese til essentielle cellefunktioner i gærceller. Når cellerne begynder at akkumulere mellemprodukterne af vanillin, udtrykker de et sæt af andre gener, der er nødvendige for gærcellernes overlevelse. Hvis en gærcelle derfor dropper produktionen af vanillin, får de et evolutionært hak i tuden, så de ikke overlever,” forklarer Michael Krogh Jensen.
I fagsprog fremkaldes denne gevinst ved hjælp af biosensorer, og den fungerer ved at genkende ophobning af mellemprodukterne inde i gærcellerne og dernæst koble denne ophobning med aktivering af livsnødvendige gener og derigennem skabe en evolutionær fordel. Samtidig kan forskerne bruge biosensorer til at måle, om produktionen kører, som den skal.
”På denne måde lykkedes det os at bibeholde produktionen i mere end 50 generationer og med et udbytte, der var mere end 90 % højere end celler uden biosensorer,” siger Michael Krogh Jensen.
Hylder med DNA-elementer
Biosensor-tricket er tidligere lykkedes i Escherichia coli-bakterier, men det er første gang, det er lykkedes i gærsvampe, og det er et væsentligt resultat, fordi gærsvampe er én af de væsentlige organismer i industrielle cellefabrikker. Mens E. coli ofte kan bruges til at fremstille kemikalier og brændstoffer i store mængder, så sørger gærsvampene for den finere og mere avancerede kemi, fx til fremstilling af insulin.
”Udover at det er første gang det er lykkedes med dette i gærsvampe, så er et andet næsten ligeså vigtigt resultat, at biosensoren ikke er koblet til slutproduktet, men derimod et intermediært produkt. Det betyder dels, at det er en hurtigere feedback, men endnu mere vigtigt er det, at det intermediære produkt også er en del af syntesen af syrer, der bruges til fremstilling af eksempelvis nylon. På den måde har vi udviklet et redskab, der kan bruges i andre sammenhænge,” forklarer Michael Krogh Jensen.
For at blive endnu bedre til at optimere mikroorganismernes produktion af forskellige stoffer har forskerne nu taget endnu mere radikale værktøjer i brug. I et nyt studie er det lykkedes forskerne at kombinere de stadig mere avancerede mekanistiske modeller for mikroorganismernes metabolisme med computermodeller og kunstig intelligens baseret på data fra netop biosensorer, og vist, at de på den måde kan konstruerer algoritmer, der kan forudsige designet af metaboliske processer.
”Vi brugte i første omgang computerlæringen til at undersøge produktionen af nogle af de komplekse aromatiske aminosyrer i gær, og det lykkedes os på den måde at udvikle algoritmer, som kunne forudse nye måder at designe transportveje for aromatiske aminosyrer, som forbedrede produktionen med op til 74 % sammenlignet med det bedste håndholdte design brugt til at træne algoritmerne. Så det understreger et enormt potentiale, og kombineret med vores resultater med vanillinproduktionen i gær har vi store forhåbninger om, at vi inden for en kort årrække vil have flere hylder med DNA-elementer til at bygge disse biosynteseveje på en måde, der sikrer bedre og billigere produktionsstabilitet og ikke mindst en langt større bæredygtighed,” siger Michael Krogh Jensen.
”Combining mechanistic and machine learning models for predictive engineering and optimization of tryptophan metabolism” er udgivet i Nature Communications. ”Regulatory control circuits for stabilizing long-term anabolic product formation in yeast” er udgivet i Metabolic Engineering. Hovedforfatter Michael Krogh Jensen er seniorforsker på Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Danmarks Tekniske Universitet, Kongens Lyngby.
