Overbeviser bakterier om at lave nye produkter

Bakterier kan som cellefabrikker være fantastiske kilder til at lave alle mulige forskellige biologiske molekyler. Det har både forskere og industrien også i mange år brugt bakterierne til.

Der er dog forskellige stoffer, som bakterierne helst er fri for at lave. Det er de stoffer, som de ikke selv skal bruge til noget, og som sjældent optræder i biologien, eksempelvis flourererede stoffer, der benyttes i stor stil i industrien til lægemidler og til fluoropolymerer. Fluoropolymerer kender man fra blandt andet teflon.

Nu har forskere dog fundet løsningen til at få bakterier til at lave alle mulige stoffer, som de helst er fri for. Bakterierne skal meget simpelt gøres afhængige.

”Det handler i det store billede om, hvordan vi kan få bakterier til at producere en lang række molekyler, som i dag kun kan produceres ved traditionelle processer. Kemiske processer er i mange tilfælde karakteriseret ved både at være dyrere og komme med forskellige biprodukter, der i sig selv kan være problematiske. Derfor er der behov for nye metoder til biologisk at lave disse produkter, og vi har arbejdet på generelle måder at løse dette problem,” fortæller en af forskerne bag et nyt studie om teknologien, seniorforsker og gruppeleder Pablo Iván Nikel fra Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ved Danmarks Tekniske Universitet.

Forskningen, der er lavet i samarbejde med of Molecular Plant Physiology, Potsdam, Tyskland og Wageningen University, Holland, er offentliggjort i Nature Communications.

Får bakterier til at producere ønskede molekyler

Udfordringen ved at få bakterier til at producere stoffer, som de ikke selv skal bruge, har altid været der.

Forskere kan sagtens indsætte genet for produktionen af et givent organisk molekyle i en bakterie, men hvis bakterien ikke selv skal bruge det organiske molekyle for at overleve, blokerer den hurtigt for processen, og så kommer der ikke meget produktion (eller ingenting) ud af de store industrielle tanke med bakterier i.

I det nye studie er forskerne derfor gået skridtet videre i deres manipulering af bakteriernes arvemasse og har gjort bakterierne afhængige af de organiske molekyler for at overleve. Derved kan bakterierne ikke slukke for den biologiske proces, men holder den kørerende altid for selv at kunne blive ved med at leve.

”Vores studie er et rammeværk for, hvordan man kan gøre bakterier afhængige af at producere molekyler, som de helst ikke vil producere. Vi har udført det med fluorererede stoffer, men princippet gælder for alle tænkelige biologiske molekyler,” forklarer Pablo Iván Nikel.

Gør bakterier afhængige

I store træk er baggrunden for den nye metode, at bakterier er afhængige af 12 essentielle molekyler for overhovedet at overleve. Bakterierne producerer dem selv, og hvis bakterierne ikke har adgang til disse molekyler, vokser de ikke.

For at få bakterierne til at producere industrielt interessante stoffer, skal man ifølge metoden først afskaffe de aktiviteter som producerer én eller flere af disse 12 essentielle molekyler.

”Det er en meget elegant tilgang, som andre forskere har benyttet før, men som blev udviklet af den nu afdøde Arren Bar-Even. Tilgangen er en smart måle at udnytte evolution i optimering af cellulære fabrikker,” siger Pablo Iván Nikel.

Efter bakteriens genom er modificeret således, at de molekyler, som er nødvendig for vækst, ikke længere produceres, skal man koble produktionen af det industrielt interessante molekyle til den samme syntesevej, som laver både de essentielle stoffer og de industrielle interessante stoffer, og efterfølgende indsætte den samlede genetiske kode i bakteriens arvemasse.

Resultatet bliver, at bakterierne er nødt til at udnytte den syntesevej, som giver dem adgang til det essentielle stof, og idet de benytter syntesevejen, producerer de også det industrielt interessante produkter. De har ingen vej uden om.

”Man kan sige, at vi har gjort bakterierne afhængige af at producere det stof, som vi gerne vil have dem til. Det er tricket. Et andet perspektiv er, at man kan få bakterierne til at udvikle sig, således, at de ved at blive bedre og bedre til at producere et stof, som de selv har gavn af i forhold til at vækste, også producerer mere og mere af det stof, som vi gerne selv vil have dem til,” siger Pablo Iván Nikel.

Pablo Iván Nikel forklarer også, at metoden ikke kun er anvendelig ved produktionen af givne molekyler, men også ved at assimilere substrater, som bakterierne ikke bruger.

”Man kan eksempelvis gøre bakterier afhængige af at assimilere stoffer, som de normalt aldrig vil røre ved. Derved kan man udnytte et helt nyt substrat i sin biologiske produktion af givne molekyler,” siger han.

Industrielt kvantespring

Der kan ifølge forskeren være store perspektiver inden for bioteknologien i denne metode.

Et af perspektiverne er blandt andet, at det vil gøre det lettere bioteknologisk at genmodificere bakterier, som kan være højproduktive af organiske molekyler, som er industrielt interessante.

Industrien er interesseret i, at programmere bakterier til at producere givne molekyler, og hvordan bakterier kan producere optimalt.

Traditionelt er mange slags bakterier, som kan producere nyttige biologiske molekyler, blevet skabt og testet. Derefter er kunsten at finde frem til de af bakterierne, der er allerbedst til at producere molekylet, og udvikle dem til en kultur, som kan benyttes industrielt.

Tidligere har processen involveret en masse analyser af produktionsrater, som betyder dyre og tidskrævende analytiske metoder, men med den nye metode bliver identifikationen gjort meget nemmere.

”Traditionelt screener man en masse genetiske varianter, men her skal vi bare finde de bakterier, som vokser hurtigst. Da produktionen af det interessante molekyle er koblet direkte til bakteriernes vækst, producerer de hurtigst voksende bakterier også mest af molekylet. Det vil accelerere udviklingen af nye bakteriestammer til industriel produktion enormt meget, når vi ikke skal kvantificere produktet, men i stedet cellevæksten,” siger Pablo Iván Nikel.