Dinamično uravnavanje (regulacija) metabolnih poti

Celični metabolizem je kompleksen splet procesov, ki jih celica medsebojno dinamično uravnava glede na trenutne razmere v in izven celice. Človek je v prvih poskusih inženiringa metabolnih poti uporabljal statične metode uravnavanja. Kljub temu, da so manj precizne se nanje še vedno zanašamo zaradi lažje izvedbe in predvidljivosti izida. <ref name="ref1">Cress, B. F., Trantas, E. A., Ververidis, F., Linhardt, R. J. & Koffas, M. A. Sensitive cells: enabling tools for static and dynamic control of microbial metabolic pathways. Curr. Opin. Biotechnol. 36, 205–214 (2015)</ref>

Statično in dinamično uravnavanje metabolizma

Statični način uravnavanja obsega urejanje genoma (insercije ali delecije), regulacijo transkripcije s transkripcijskimi faktorji in malimi nekodirajočimi RNA in regulacijo translacije in posttranslacijskih modifikacij. Tudi sistemi z možnostjo indukcije se smatrajo za statični sistem. Vsem je skupno, da vnaprej določimo parametre, ki uravnavajo metabolno pot, in jih prilagajamo na podlagi empiričnih meritev.<ref name="ref1">Cress, B. F., Trantas, E. A., Ververidis, F., Linhardt, R. J. & Koffas, M. A. Sensitive cells: enabling tools for static and dynamic control of microbial metabolic pathways. Curr. Opin. Biotechnol. 36, 205–214 (2015)</ref>

Kljub temu, da s statično manipulacijo metabolnih poti lahko uspešno dosežemo povečano izražanje iskane biološke spojine, vendar predstavlja dinamično uravnavanje v določenih primerih bistveno prednost. Nemalokrat ima določen metabolit neugoden vpliv na celico: povratno inhibicijo, je toksičen ali zavira rast celic. Dinamičen sistem se preko biološkega senzorja odzove na spremembo v celici in vpliva na prilagoditev v smeri zastavljenega cilja. Dinamični nadzor metabolne poti je genetsko zapisan sistem, ki se avtomatsko in dinamično odziva na koncentracije specifičnih znotrajceličnih metabolitov.<ref name="ref1">Cress, B. F., Trantas, E. A., Ververidis, F., Linhardt, R. J. & Koffas, M. A. Sensitive cells: enabling tools for static and dynamic control of microbial metabolic pathways. Curr. Opin. Biotechnol. 36, 205–214 (2015)</ref>

Raziskave v preteklih letih so omogočile bolj zapleteno statično uravnavanje metabolnih poti s sintezno prilagojenimi regulatorji, metabolni inženiring pa je naredil prve korake v smeri dinamičnega uravnavanja metabolnih poti. Obe temi podrobno obravnava pregledni članek Cress et al.2015, medtem ko se ta stran osredotoča na dinamične pristope. <ref name="ref1">Cress, B. F., Trantas, E. A., Ververidis, F., Linhardt, R. J. & Koffas, M. A. Sensitive cells: enabling tools for static and dynamic control of microbial metabolic pathways. Curr. Opin. Biotechnol. 36, 205–214 (2015)</ref>

Dinamični kontrolni sistemi

Dinamični kontrolni sistemi so zelo koristni v primerih, kjer je določen metabolit toksičen za celico ali pa tekmuje z drugimi celičnimi komponentami pri pomembni celični funkciji. Potrebno je skrbno načrtovanje sistema z ozirom na hitrost produkcije metabolita in koncentracijo pri kateri se njegova škodljivost bistveno poveča.<ref name="ref1">Cress, B. F., Trantas, E. A., Ververidis, F., Linhardt, R. J. & Koffas, M. A. Sensitive cells: enabling tools for static and dynamic control of microbial metabolic pathways. Curr. Opin. Biotechnol. 36, 205–214 (2015)</ref>

Dvostopenjski sistemi uravnavanja (t. i. ON/OFF stikala) se ne upoštevajo kot dinamični sistem, saj ne vključujejo povratne regulacije in zahtevajo prisotnost induktorja.<ref name="ref1">Cress, B. F., Trantas, E. A., Ververidis, F., Linhardt, R. J. & Koffas, M. A. Sensitive cells: enabling tools for static and dynamic control of microbial metabolic pathways. Curr. Opin. Biotechnol. 36, 205–214 (2015)</ref>

Dinamični kontrolni sistemi za uspešen nadzor metabolne poti zahtevajo:

1. biosenzor, ki zazna koncentracijo molekule ali okoljskega dejavnika, ki nas zanima
2. prenos te informacije neposredno na aktuator (alosterična konformacijska sprememba ali sprememba interakcije med proteinoma – asociacija ali disociacija)
3. aktuator, pretvornik, ki sprejme signal in v odgovor prilagodi koncentracijo spojine, ki jo zaznavamo (njena razgradnja ali vpliv na izražanje gena)

Prva generacija dinamičnih kontrolnih sistemov

Tesno regulirana metabolna pot zahteva ustrezen pristop. Alosterična regulacija ali razgradnja encima sta učinkoviti naravni poti povratne regulacije, vendar trenutno razumevanje mehanizmov določanja specifičnosti še ni kos nalogi zasnovati sintezen specifičen alosterični regulator. Obstajajo pa naravni transkripcijski faktorji, ki se odzivajo na ligande (ligand – responsive transcription factor, LRTF) in jih s skrbnim načrtovanjem lahko uporabimo za povečanje izkoraistka naravnih metabolnih poti.<ref name="ref1">Cress, B. F., Trantas, E. A., Ververidis, F., Linhardt, R. J. & Koffas, M. A. Sensitive cells: enabling tools for static and dynamic control of microbial metabolic pathways. Curr. Opin. Biotechnol. 36, 205–214 (2015)</ref>

LRTF vsebujejo domeno za vezavo metabolita (MBD) in DNA vezavno domeno (DBD). Ob vezavi metabolita pride do alosterične spremembe konformacije DNA vezavne domene. Glede na to, da ali ima v novi konformaciji LRTF večjo ali manjšo afiniteto do operatorske regije zavre ali sproži transkripcijo.<ref name="ref1">Cress, B. F., Trantas, E. A., Ververidis, F., Linhardt, R. J. & Koffas, M. A. Sensitive cells: enabling tools for static and dynamic control of microbial metabolic pathways. Curr. Opin. Biotechnol. 36, 205–214 (2015)</ref>

Pogosto LRTF vplivajo na več kot en gen – ko omogočijo transkripcijo enega gena tudi inhibirajo izražanje gena z nasprotnim učinkom. To nadvse zaželjeno lastnost so s pridom uporabili v nekaterih primerih uravnavanja metabolne poti, ki so predstavljeniv nadaljevanju.<ref name="ref1">Cress, B. F., Trantas, E. A., Ververidis, F., Linhardt, R. J. & Koffas, M. A. Sensitive cells: enabling tools for static and dynamic control of microbial metabolic pathways. Curr. Opin. Biotechnol. 36, 205–214 (2015)</ref>

Farnezil pirofosfat (FPP) je pomembna izhodna spojina za mnoge organske spojin. Med drugim ga amorfo-4,11-dien sintaza (ADS) pretvori v amorfo-4,11-dien, ki je prekurzor artemizina, zdravila za malarijo. V visokih koncentracijah, ki jih dosežemo v sinteznobiološko pripravljenih celicah, je FPP toksičen in inhibira celično rast.<ref name="ref2">)Dahl, R. H. et al. Engineering dynamic pathway regulation using stress-response promoters. Nat. Biotechnol. 31, 1039–46 (2013)</ref>

S pomočjo računalniških orodij so raziskovalci zasnovali promotor, ki se odzove na stres in s tem posredno na FPP, ki je pri visokih koncentracijah povzročitelj stresnega okolja v celici. Pod nadzor tega promotorja so postavili set genov, ki sodelujejo v izoprenoidni metabolni poti in ločeno amorfo-4,11-dien sintetazo. Ob visoki koncentraciji FPP se stresni dejavniki vežejo na oba promotorja tako, da spodbudijo izražanje ADS in zavirajo izražanje proteinov, ki sodelujejo pri proizvodnji FPP. Dinamični sistem je bil več kot dvakrat bolj učinkovit od analognega statičnega sistema uravnavanja.<ref name="ref2">)Dahl, R. H. et al. Engineering dynamic pathway regulation using stress-response promoters. Nat. Biotechnol. 31, 1039–46 (2013)</ref>

b <ref name="ref3">)Xu, P., Li, L., Zhang, F., Stephanopoulos, G. & Koffas, M. Improving fatty acids production by engineering dynamic pathway regulation and metabolic control. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 111, 11299–304 (2014)</ref>

Obeti na področju dinamičnega uravnavanja metabolnih poti

Skupna točka vseh dinamično reguliranih poti so transkripcijski faktorji, ki se odzivajo na ligande (LTFR). Zankrat je njihova uporaba omejena na naravne LRFT, saj poznavanje mehanizmov alosteričnega prenosa informacije znotraj molekule še ni dovolj poznano, da bi z racionalnim dizajnom uspešno načrtovali specifične in funkcionalne sintezne LRTF.<ref name="ref1">Cress, B. F., Trantas, E. A., Ververidis, F., Linhardt, R. J. & Koffas, M. A. Sensitive cells: enabling tools for static and dynamic control of microbial metabolic pathways. Curr. Opin. Biotechnol. 36, 205–214 (2015)</ref>

Raziskovalci upajo, da bodo z uporabo računalniških orodij za prileganje odkrili regije odgovorne za prenos metabolit vezavno domeno in DNA vezavno odmeno. Do takrat pa bi lahko specifične transkripcijske faktorje za dinamičen sistem zasnovali v okviru naravnih LRTF. Po izbiri ustreznega LRTF bi morali pred sintezne TF vnesti ustrezne operatorje.<ref name="ref1">Cress, B. F., Trantas, E. A., Ververidis, F., Linhardt, R. J. & Koffas, M. A. Sensitive cells: enabling tools for static and dynamic control of microbial metabolic pathways. Curr. Opin. Biotechnol. 36, 205–214 (2015)</ref>

Določeni statični regulatorji metabolnih poti so potencialno uporabni tudi kot dinamični regulatorji metabolnih poti. Eden takih je sistem s Cas9, ki ima okvarjeno nukleazno aktivnost (dCas9, nuclease deficient Cas9) in je zato sposobna le vezave DNA. Cas9 prepozna trinukleotidno zaporedje DNA (znano kot PAM) na podlagi kratkega segmenta CRISPR RNA (crRNA). <ref name="ref1">Cress, B. F., Trantas, E. A., Ververidis, F., Linhardt, R. J. & Koffas, M. A. Sensitive cells: enabling tools for static and dynamic control of microbial metabolic pathways. Curr. Opin. Biotechnol. 36, 205–214 (2015)</ref>

Z načrtovanjem ustreznih crRNA lahko dosežemo vezavo dCas9 na poljubna zaporedja DNA, ki niso prisotna v naravi.<ref name="ref4">Esvelt, K. M. et al. Orthogonal Cas9 proteins for RNA-guided gene regulation and editing. Nat. Methods 10, 1116–21 (2013)</ref> Zapis za dCas9 lahko vnesemo pod promotor, ki je pod vplivom naravnega LRTF. Tako bi preko odziva na naravni metabolit lahko vplivali tudi na sintezno metabolno pot, vendar takšni sistemi še niso bili eksperimentalno preizkušeni.<ref name="ref1">Cress, B. F., Trantas, E. A., Ververidis, F., Linhardt, R. J. & Koffas, M. A. Sensitive cells: enabling tools for static and dynamic control of microbial metabolic pathways. Curr. Opin. Biotechnol. 36, 205–214 (2015)</ref>

Viri

<references/>