Facilitation of Bio-manufacturing Research Through Metabolic Pathway Analysis Simulation

Význam tématu

Bio‐výroba založená na metabolických drahách nabízí udržitelnou alternativu k chemické syntéze s nižší spotřebou energie a menším dopadem na životní prostředí. Analýza metabolických drah umožňuje pochopit a optimalizovat procesy, při nichž mikroorganismy přeměňují substráty na cílové biofarmaceuticky významné molekuly, jako je orsellinová kyselina.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo simulovat a maximalizovat produkci orsellinové kyseliny v různých transgenních kmenech Escherichia coli BL21(DE3) („Strain 1“ s plazmidem X, „Strain 2“ s plazmidy X a Y a „Strain 3“ s X, Y a Z) po 12, 24 a 48 hodinách kultivace měřením jak buněčných frakcí, tak supernatantů.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky připravené podle standardního protokolu systému SPL-M100 byly analyzovány na přístroji GCMS-TQ8040 NX v režimu Multiple Reaction Monitoring (MRM). Celkem byly za 23 minut současně kvantifikovány 504 metabolitů (aminokyseliny, nukleotidy, mastné a organické kyseliny). Pro simulaci metabolických drah a návrh experimen­tálních podmínek bylo využito softwaru SIMCA 18 ve spojení s multi-omics analysis package pro korelaci a projekci výsledků.

Hlavní výsledky a diskuse

• V každé sadě vzorků bylo detekováno přibližně 400 metabolitů.
• Nejvyšší akumulace orsellinové kyseliny byla pozorována u kmenů Strain 3 obsahujících plazmid Z.
• Po 12 hodinách kultivace došlo v buňkách ke poklesu koncentrace orsellinové kyseliny, což naznačuje její uvolnění do supernatantu nebo přeměnu na další sloučeniny.
• Simulace pomocí funkce score space search v SIMCA 18 umožnila identifikovat klíčové metabolity (např. alanin, glycin) ovlivňující akumulaci orsellinové kyseliny.

Přínosy a praktické využití metody

• Umožňuje rychlejší návrh a optimalizaci bio­procesů pro produkci farmaceutických prekurzorů.
• Integrace dat z buněk a média usnadňuje identifikaci digitálních biomarkerů.
• Podpora ekologických studií lišejníků, které orsellinovou kyselinou indikují kvalitu ovzduší.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření simulací na další mikrobiální produkty a patřící metabolomy.
• Prohloubení multi-omics integrace pro komplexnější modelování metabolismu.
• Využití orsellinové kyseliny jako markeru pro environmentální monitorování znečištění.

Závěr

Studie potvrdila, že kombinace GC-MS MRM analýzy a pokročilých simulačních nástrojů vede k efektivní optimalizaci produkce orsellinové kyseliny v E. coli. Tento přístup nabízí perspektivu pro vývoj udržitelných biotechnologických procesů s aplikacemi v průmyslu i environmentálním výzkumu.

Reference

• Gao H. a kol. Filamentous Fungi-Derived Orsellinic Acid-Sesquiterpene Meroterpenoids: Fungal Sources, Chemical Structures, Bioactivities, and Biosynthesis, přístup 6. 6. 2024
• Lichens as Bioindicators, National Park Service, přístup 6. 6. 2024