طراحی میکروارگانیسم های صنعتی

درباره طراحی میکروارگانیسم های صنعتی

میکروارگانیسم‌ها می‌توانند به‌عنوان کارخانه‌هایی برای تولید مواد ارزشمند باشند. امروزه با مهندسی متابولیک این میکروارگانیسم‌ها، صنایع می‌توانند به صورت بهینه محصولات مدنظر خود را در جمعیت‌های میکروبی تولید کرده و آن را به فروش برسانند. از طرف دیگر، جدای طراحی ژنتیکی میکروارگانیسم‌ها، می‌توان محیط کشتی برای آن‌ها طراحی کرد که بتوانند رشد مناسبی داشته باشند و محصولات را تولید کنند. در ادامه به کاربردهای طراحی میکروارگانیسم های صنعتی می‌پردازیم.
مهندسی متابولیک استفاده از مهندسی ژنتیک برای تغییر متابولیسم یک موجود زنده است. می‌تواند شامل بهینه‌سازی مسیرهای بیوشیمیایی موجود یا معرفی اجزای مسیر، معمولاً در باکتری‌ها، مخمرها یا گیاهان، با هدف تولید پربازده متابولیت‌های خاص برای پزشکی یا بیوتکنولوژی باشد.

دلیل علاقه به مهندسی متابولیک بخاطر کاربردهای تجاری بالقوه آن است که در آن روش‌هایی برای توسعه سویه‌ها می‌تواند تولید متابولیت‌های مفید را افزایش دهد. گسترش مهندسی متابولیک به تولید ترکیبات مورد نظر در بافت‌های گیاهی و ارائه درک بهتر از اختلالات متابولیک ژنتیکی تعیین‌شده انسان، علاقه به این رشته را فراتر از صنعت تخمیر گسترش داده و اهمیت آینده آن را به خوبی نشان می‌دهد.

روش‌های فعلی برای افزایش بهره‌وری میکروارگانیسم های صنعتی از جهش‌زایی تصادفی کلاسیک به سمت استفاده از روش‌های منطقی‌تر می‌رود. یکی از این روش‌ها مهندسی متابولیک است که در آن، به منظور به حداکثر رساندن بازده محصول، شارهای متابولیک اولیه با معرفی تغییرات ژنتیکی از طریق فناوری DNA نوترکیب، هدایت می‌شوند.

یعنی می‌توان سلولی را مهندسی کرد که بیشتر انرژی خود را تاحدی که اختلالی در رشدش ایجاد نشود، بر روی تولید یک ماده مطلوب بگذارد. روش‌های مختلفی مانند طراحی مدار ژنتیکی و مدل‌سازی متابولیسم باکتری‌ها در مهندسی متابولیک کاربرد دارند. به منظور دریافت پویایی شارهای متابولیک و غلظت متابولیت‌های خاص، از بررسی‌های کلاسیک آنالیز تعادل شار یا flux balance analysis استفاده می‌شود.

همان‌طور که می‌دانیم، شبکه متابولیک سلولی که در طبیعت تکامل یافته است و درنتیجه برای کاربرد عملی بهینه نشده است و قرار نیست یک باکتری ماده خاصی را به فراوانی برای ما تولید کند. در چنین مواردی، عملکرد مسیرهای متابولیک یا فرآیندهای زیستی را می توان با دستکاری ژنتیکی سلول تغییر داد تا متابولیت بیش از حد تولید شود. فناوری درگیر در بیوتکنولوژی به عنوان مهندسی متابولیک توصیف می‌شود که بهبود فعالیت‌های سلولی با روش‌های مختلف است.

اگرچه برای تولید بیش از حد متابولیک، گاهی اوقات سویه‌های موجودات زنده با جهش و انتخاب بهبود می‌یابند، فرصت معرفی ژن‌های هترولوگ و عناصر تنظیم‌کننده، مهندسی متابولیک را به یک حوزه تحقیقاتی بسیار جذاب تبدیل کرده است. در این زمینه، عملکرد سلول را می‌توان با استفاده از تغییرات هدفمند در سلولی اصلاح کرد. این ممکن است نه تنها شامل بیوسنتز یک متابولیت، بلکه دستکاری مسیرهای پردازش پروتئین نیز باشد. مهندسی متابولیک برای طراحی میکروارگانیسم های صنعتی برای تولید اسیدهای آلی، اتانول، اسیدهای آمینه و برخی متابولیت‌های دیگر کاربرد فراوانی دارد.

در چند دهه گذشته، استفاده از میکروارگانیسم‌های دستکاری شده ژنتیکی در تولید مواد کمکی برای تولید موادغذایی، آنتی‌بیوتیک‌ها، محصولات شیمیایی ارزشمند، الکل‌ها، تجزیه پلاستیک‌های موجود در محیط، طراحی و ساخت مواد کاربردی، جداسازی عناصر مهم از خاک و معادن رایج شده است.

GEM ها با افزایش کارایی، کاهش ضایعات و منابع مورد نیاز، و در نهایت امکان نوآوری‌های سودمند به تولیدات غذایی کمک می‌کنند. آژانس‌های نظارتی، از جمله آن‌هایی که در اتحادیه اروپا، ایالات متحده و کانادا هستند، ایمنی GEMها را هنگام ارزیابی مواد غذایی تولید شده با استفاده از GEM بررسی می‌کنند تا اطمینان حاصل کنند که هم میکروارگانیسم و ​​هم ماده غذایی حاصل از آن بی‌خطر هستند.

دستاوردهای خارق‌العاده در بیوشیمی و زیست‌شناسی مولکولی در چند دهه گذشته منجر به استفاده گسترده از GEM در تولید مواد پزشکی و غذایی شده است، به‌ویژه که این فرآیندها به‌عنوان سازگار با محیط‌زیست، سازگار با حیوانات و مقرون‌به‌صرفه شناخته می‌شوند.

مثلا تولید انسولین در حال حاضر با طراحی میکروارگانیسم های صنعتی انجام شده و به جای قربانی کردن حیوانات برای برداشت پانکراس، منبع اصلی انسولین محسوب می‌شود. به طور مشابه، تریپسین و کیموسین تولید شده از طریق میکروبی به عنوان جایگزینی برای برداشت تریپسین یا مایه پنیر از منابع حیوانی مانند خوک و گاو در دسترس هستند. مزایای تولید GEM به جایگزینی برای روش‌های تولید مبتنی بر حیوان محدود نمی‌شود. به عنوان مثال، در مقایسه با تولید سنتی کشاورزی مواد گیاهی، مانند عصاره استویا و وانیل، تولید گلیکوزیدهای استویول مبتنی بر GEM  و وانیلین مزایای زیادی دارد، از جمله کاهش استفاده از زمین، تولید ضایعات کمتر، عرضه پایدارتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر بودن برای پاسخگویی به تقاضای فزاینده مصرف‌کننده.

علاوه ‌بر تولید غذا و محصولات دارویی و شیمیایی به کمک طراحی میکروارگانیسم های صنعتی، با مهندسی این سلول‌ها می‌توانیم به سراغ تجزیه زیستی برویم. در واقع، تجزیه زیستی فرآیندی است که در آن مواد آلی توسط موجودات میکروبی زنده به ترکیبات کوچکتر تجزیه می‌شوند. در طی سال‌ها و دهه‌های گذشته، زباله‌های پلاستیکی و مواد شیمیایی مضری بر روی زمین تجمع پیدا کرده‌اند.

برای حفظ سلامت زمین، حیوانات و انسان، بایستی این زباله‌ها تجزیه شده و به موادی تبدیل شوند که برای محیط زیست خطری نداشته باشند. از این جهت است که گروه‌های تحقیقاتی مختلفی در سراسر دنیا، بخش بزرگی از تلاش خود را برای طراحی میکروارگانیسم‌هایی قرار داده‌اند که ضایعات فاضلاب، یا زباله‌های موجود در محیط را تجزیه کند. با یک قدم رو به جلو، می‌توان از مواد حاصل از تجزیه این مواد، محصولات مطلوبی را تولید کرد که ارزش اقتصادی نیز داشته باشد.

بنابراین، درک فرآیند تجزیه زیستی مستلزم درک رفتار میکروارگانیسم‌هایی است که باعث کارکرد این فرآیند می‌شوند. موجودات میکروبی ماده را از طریق فرآیندهای متابولیکی یا آنزیمی تغییر می‌دهند. این کار بر دو فرآیند استوار است: رشد و متابولیسم. در رشد، از یک آلاینده آلی به عنوان تنها منبع کربن و انرژی استفاده می‌شود. این فرآیند منجر به تخریب کامل آلاینده‌های آلی می‌شود. چندین میکروارگانیسم از جمله قارچ‌ها، باکتری‌ها و مخمرها در فرآیند تجزیه زیستی دخیل هستند.

سوخت‌های زیستی تولید شده در میکروارگانیسم های دستکاری شده ژنتیکی مانند قارچ‌ها، مخمرها، ریزجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها می‌باشد. با حرکت به سمت استفاده از محصولاتی که برای محیط زیست مطلوب هستند، استفاده از سوخت‌های زیستی نیز اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده است.

عملکرد و بهره‌وری برای اقتصاد و دوام یک فرآیند زیستی حیاتی است. در مهندسی متابولیک هدف اصلی افزایش تولید متابولیت هدف از طریق مهندسی ژنتیک است. مهندسی متابولیک عمل بهینه‌سازی فرآیندهای ژنتیکی و تنظیمی در سلول‌ها برای افزایش تولید یک ماده خاص است. در سال‌های گذشته، توسعه فناوری DNA نوترکیب و سایر فناوری‌های مرتبط، ابزارهای جدیدی را برای نزدیک شدن به بهبود عملکرد با استفاده از دستکاری ژنتیکی مسیر بیوسنتزی فراهم کرده است.

مهندسی متابولیک باکتری‌ها دامنه وسیعی در کاربرد صنعتی نشان می‌دهد و همچنین چنین تکنیکی ممکن است پتانسیل خوبی برای حل برخی بیماری های متابولیک و مشکلات زیست محیطی در آینده نزدیک داشته باشد. طراحی میکروارگانیسم های صنعتی مانند اشریشیا کلی، اکتینومیست‌ها و غیره به‌عنوان کاتالیزورهای زیستی برای بهینه‌سازی فرآیندهای موجود برای تولید بیوتکنولوژیک مواد شیمیایی توسعه یافته‌اند. عواملی مانند اکسیژن رسانی، دما و pH به طور سنتی در تخمیر صنعتی به منظور افزایش تولید متابولیت کنترل و بهینه شده‌اند.

دوره‌ کارآموزی کارآموزی طراحی و مدلسازی سلولی: سیستم بیولوژی

منبع