Model s povratno zanko za povečanje mikrobne produkcije biogoriva z uporabo biosenzorja

From Wiki FKKT

(Difference between revisions)
Jump to: navigation, search

JernejP (Talk | contribs)
(New page: '''Uvod''' Za produkcijo biogoriva se uporabljajo razni mikroorganizmi kot so Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis in Clostridium acetobutylicum. Ti so sposobni r...)
Next diff →

Current revision

Uvod

Za produkcijo biogoriva se uporabljajo razni mikroorganizmi kot so Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis in Clostridium acetobutylicum. Ti so sposobni razgradnje celuloze do enostavnih sladkorjev, ki jih nato uporabijo za fermentacijo in podobne procese, v katerih nastanejo biogoriva. Raziskovalci na tem področju stremijo k optimizaciji mikrobnih metabolnih procesov, s čimer bi dosegli maksimalno možno produkcijo biogoriva. Medtem, ko so se prve raziskave osredotočale predvsem na produkcijo etanola, so zadnje čase vse bolj popularna biogoriva naslednje generacije. Ta imajo prednost, da so kompatibilna z obstoječo infrastrukturo, imajo večjo energijsko gostoto in manjšo korozivnost. Vendar pa zaenkrat še nimamo mikroorganizma, ki bi bil sposoben produkcije tovrstnih biogoriv z zadostnim izkoristkom. Ena glavnih ovir je toksičnost, ki jo predstavlja produkt za sam organizem. Biogoriva se lahko akumulirajo v celični membrani, kar vodi do povečanja permeabilnosti in posledično motenj v čezmembranskih elektrokemijskih gradientih. Poleg tega pride do poškodb in izločanja življensko pomembnih komponent iz celice. Nekateri mikrobi so razvili mehanizme, ki jim omogočajo toleriranje večjih koncentracij biogoriv. Sem spadajo iztočne črpalke, vezikli za izločanje iz celice, mehanizmi za zmanjševanje membranske permeabilnosti in povečevanje rigidnosti ter metaboliziranje toksičnih snovi.

Cilj raziskave

V tej raziskavi so se osredotočili predvsem na iztočne črpalke, saj je znano, da njihova prisotnost poveča toleranco mikroorganizma na spojine podobne biogorivom. Iztočne črpalke so membranski transporterji, ki za izvoz toksičnih snovi iz celice izkoriščajo protonsko gibalno silo. Kljub njihovi uporabnosti, pa lahko prekomerno izražanje privede do škodljivih učinkov za celice, saj se premeni kompozicija plazmaleme in obremeni aparat membranske integritete. Pootrebna je torej uravnotežena ekspresija iztočnih črpalk glede na koncentracijo nastalega biogoriva. V te namene je bil razvit regulatorni mehanizem s povratno zanko, ki regulira nastajanje iztočne črpalke, z uporabo biosenzorja. Kot senzor se pogosto uporabi transkripcijski faktor, ki se odziva na prisotnost biogoriva v celici in regulira izražanje ustreznega gena. Model s povratno zanko ima v primerjavi z modelom konstantne ekspresije to prednost, da samostojno prilagaja produkcijo iztočne črpalke glede na potrebo po odstranjevanju biogoriva iz celice, s čimer dosežemo boljši energijski izkoristek.

Materiali in metode

Razviti model za represijo izražanja iztočne črpalke izkorišča biosenzor MexR, ki represira transkripcijo črpalke z vezavo na promotorsko regijo njenega operona. Ob prisotnosti biogoriva se inaktivira, sam pa je reguliran z inducibilnim promotorjem, Plac, ki ga lahko po potrebi induciramo z IPTG. Uporaba inducubilnega promotorja ni nujno potrebna in ga lahko zamenjamo za konstitutivni. Model temelji na sistemu petih diferencialnih enačb, ki opisujejo rast bakterijske kulture in relativne koncentracije pomembnih elementov kot so represor, črpalka, intracelucarno in ekstracelularno biogorivo.

Rezultati

Ko celice proizvajajo biogorivo, se s tem nekaj represorja v sistemu deaktivira, kar onemogoči njegovo vezavo na promoter in posledično represijo transkripcije iztočne črpalke. Celotna koncentracija represorja, ki zajema aktivno in neaktivno obliko se med proizvodnjo biogoriva ne spreminja. Ravno nasprotno je z izražanjem črpalke, ki se tekom proizvodnje povečuje. Kadar je sistem najbolj induciran z IPTG, pride do največje spremembe v hitrosti izražanja črpalke in traja najdlje časa da ta doseže ravnotežje. Torej količina represorja v sistemu direktno vpliva tako na začetno izražanje črpalke, kot na prilagoditev izražanja ob proizvodnji biogoriva. Iz tega sledi, da je najbolj inducirana oblika senzorja najbolj odzivna. Če primerjamo sistem s povratno zanko in sistem z nereguliranim izražanjem črpalke, bi slednjega teoretično lahko optimizirali do te mere, da bi deloval tako dobro kot prvi (uporaba inducibilnega prom.). Tak sistem ima celo nekaj prednosti, saj ga je enostavneje narediti in napovedati njegovo obnašanje, vendar pa se v praksi ne obnese zaradi dinamičnosti razmer v mikroorganizmih. Ugotovili so, da ne glede na hitrost nastajanja biogoriva, najbolj induciran sistem proizvede največ goriva. Razlog za to je v zamiku ekspresije črpalk, ki traja dokler produkt ne doseže toksično raven. Ta zamik omogoči celicam, da rastejo, dosežejo večjo gostoto, ker se energija ne troši za ekspresijo črpalk. Z večanjem hitrosti produkcije biogoriva se zamik ekspresije črpalk zmanjšuje, saj se gorivo hitreje kopiči znotraj celice in ga je prej potrebno začeti odstranjevati. Poleg tega se sistemu s povratno zanko hitrost ekspresije črpalke poveča, da bi se prilagodila povečani hitrosti produkcije goriva, medtem ko v nereguliranem ostane enaka. Z večanjem hitrosti nastajanja biogoriva je model s povratno najbolj produktiven, saj uravnava toksičnost produkta z obremenjujočo ekspresijo iztočnih črpalk.

Zaključek

Opisani model bi bilo mogoče še nadgraditi npr. z upoštevanjem difuzije v enačbah, lahko bi ga prilagodili za uporabo drugih biosenzorjev in mehanizmov tolerance. Določili bi lahko primernost sistema za produkcijo drugih biogoriv z drugačnimi hitrostmi produkcije in koeficienti toksičnosti. Uvedba takega sistem s povratno zanko lahko mnogo doprinese k optimizaciji izkoristka proizvodnje biogoriv in je vroča tema za nadaljne raziskave.

Personal tools