211service.com
Cellefri biofremstilling til billigere, renere kemikalier
Bioteknologer har gensplejset bakterier og andre mikrober til at producere biobrændstoffer og kemikalier fra vedvarende ressourcer. Men komplekse metaboliske veje i disse levende organismer kan være svære at kontrollere, og de ønskede produkter kan være giftige for mikroberne. Hvad hvis du kunne fjerne den levende celle helt?
Brygningsbiokemi: Greenlight Biosciences-forskerne Kamil Gedeon (siddende) og Stephanie DeMarino (stående) overvåger en kultur af bakterier, der er udviklet til at producere enzymer til cellefri kemisk syntese.
Greenlight Biosciences, en startup i Boston-området, udvikler mikrober til at lave forskellige enzymer, der kan producere kemikalier, og åbner derefter fejlene for at høste disse enzymer. Forskerne behøver ikke at gøre sig umage med at isolere enzymerne fra det andet cellemateriale; i stedet tilføjer de kemikalier for at hæmme uønskede biokemiske reaktioner. Ved at blande opslæmninger baseret på forskellige mikrober med sukkerarter og andre kulstofbaserede råvarer, kan virksomheden generere komplekse reaktioner for at producere en række forskellige kemikalier. Greenlight siger, at dets teknologi gør det muligt for virksomheden at lave billigere versioner af eksisterende kemikalier og allerede har produceret et fødevaretilsætningsstof, lægemidler og pesticider og herbicider.
Den største motivation ved at starte virksomheden var at finde ud af, hvordan man fremstiller sådanne forbindelser på en mere miljøvenlig måde, siger adm. dir. Andrey Zarur . Men Greenlights produkter skal også være billigere end dem, der produceres ved kemisk eller cellebaseret fremstilling, siger han, ellers vil industrierne være tilbageholdende med at bruge dem.
Greenlights strategi er en afvigelse fra klassiske fermenteringsprocesser, der afhænger af kar med levende mikrober. Det er også i modsætning til en anden tilgang til gensplejsning, ofte kaldet syntetisk biologi, der justerer veje i mikrober, så de er optimeret til at fremstille ønskværdige forbindelser. Flere virksomheder udvikler bakterier og gær til at producere specialkemikalier, men for det meste holder disse grupper bugsene i live. Amyris kan for eksempel fremstille biobrændstoffer, medicin og kemikalier, der bruges i kosmetik og smøremidler ved at konstruere mikrober med nye sæt enzymer, der kan modificere sukkerarter og andre udgangsmaterialer (se Amyris annoncerer kommerciel produktion af biokemikalier og mikrober kan masseproducere malariamedicin ). Metabolix har konstrueret bakterier til at producere bionedbrydelig plast (se A Bioplastic Goes Commercial).
Et problem med den strategi er, at når bakterier og andre mikrober forvandles til levende kemiske fabrikker, skal de stadig bruge nogle ressourcer på at dyrke i stedet for kemisk produktion, siger Mark Styczynski , en metabolisk ingeniør og systembiolog ved Georgia Institute of Technology. Desuden er stofskiftet kompliceret, selv i en tilsyneladende simpel bakterie. Metaboliske veje har kompleks regulering inden i dem og på tværs af dem, siger han. Ændring af én metabolisk vej for at forbedre kemisk produktion kan have brede og nogle gange negative konsekvenser for resten af cellen.
Det kan således være en kæmpe fordel at adskille produktionsvejen fra cellens behov, siger han. Greenlight undgår ikke helt mikrober. I virksomhedens solrige laboratorierum nord for Boston bruger forskere boblende bioreaktorer til at dyrke bakterier i flydende kultur og vedligeholde forskellige arter og stammer, der kan producere en række enzymer. Når insekterne har nået en vis tæthed, sender forskerne dem gennem en højtryksekstruder for at bryde dem i stykker. Derefter tilføjer de lægemidler til den resulterende grå gylle for at slukke for de fleste af cellernes metaboliske enzymer; de nyttige enzymer er upåvirkede, fordi de er blevet konstrueret til at modstå stofferne.
Teknologien, der holder de udsatte stofskifteveje i gang, er udviklet af James Swartz , en biokemisk ingeniør ved Stanford University, der forlod sin stilling som proteiningeniør hos bioteknologivirksomheden Genentech for at udvikle cellefri metoder til fremstilling af farmakologiske proteiner (insulin er et eksempel på et lægemiddellignende protein, der kan fremstilles ved bioteknologi). For at søge mere kontrol over det biologiske maskineri, der producerer proteiner, fandt Swartz ud af, hvordan man kunne give det maskineri det biokemiske miljø, det havde brug for, selv uden for sit normale hjem i en celle. Ikke alene gjorde hans metoder ham i stand til at lave mere komplekse proteiner, men det viste sig, at de også kunne bruges til at kontrollere biologiske maskiner til at lave små molekyler og kemikalier. Vi har fundet ud af, at ved at genskabe de kemiske forhold, der opstår inde i cellen, aktiverer vi en masse stofskifteprocesser, selv dem, folk syntes var for komplicerede, siger han.
Greenlight kan fejlfinde og justere den metaboliske produktion af kemikalier på måder, der er mere beslægtet med kemiteknik end noget andet, der findes i typisk mikrobiel teknik. De cellefrie gyller er aktive i 96 timer, før enzymerne begynder at nedbrydes. På det tidspunkt skal der dyrkes et nyt parti mikrober.
En af cellens skønheder er, at den er selvreplikerende, siger David Berry, et princip hos Flagship Ventures, der var medstifter af biobrændstofselskaberne LS9 og Joule Unlimited. (Berry er en 2007 MIT Technology Review Innovator under 35.) Men selvom et cellefrit system går glip af den fordel, er der andre fordele, såsom overlegen fleksibilitet. Der er potentiale til at arbejde med flere input og at omgå situationer, hvor visse veje i øjeblikket ikke fungerer på grund af cellens behov, siger Berry.
Zarur siger, at Greenlight kan have sit første produkt på markedet i begyndelsen af næste år. Det bliver et kosttilskud med sundhedsmæssige fordele, siger han.
Virksomheden har også modtaget et tilskud på 4,5 millioner dollars fra ARPA-E til at udvikle et system til at omdanne metan, hovedingrediensen i naturgas, til flydende brændstof. Agenturet siger, at en sådan teknologi kan gøre det muligt for mobile fermentorer at få adgang til fjerntliggende naturgaskilder til lavpris konvertering af naturgas til flydende brændstof.