211service.com
Celvrije bioproductie voor goedkopere, schonere chemicaliën
Biotechnologen hebben genetisch gemanipuleerde bacteriën en andere microben om biobrandstoffen en chemicaliën te produceren uit hernieuwbare bronnen. Maar complexe metabole routes in deze levende organismen kunnen moeilijk te beheersen zijn en de gewenste producten kunnen giftig zijn voor de microben. Wat als je de levende cel helemaal zou kunnen elimineren?
Biochemie brouwen: Greenlight Biosciences-onderzoekers Kamil Gedeon (zittend) en Stephanie DeMarino (staand) volgen een kweek van bacteriën die zijn ontwikkeld om enzymen te produceren voor celvrije chemische synthese.
Greenlight Biosciences, een startup in de omgeving van Boston, ontwikkelt microben om verschillende enzymen te maken die chemicaliën kunnen produceren en breekt vervolgens de insecten open om die enzymen te oogsten. De wetenschappers hoeven niet de moeite te nemen om de enzymen te isoleren van het andere celmateriaal; in plaats daarvan voegen ze chemicaliën toe om ongewenste biochemische reacties te remmen. Door slurries op basis van verschillende microben te mengen met suikers en andere op koolstof gebaseerde grondstoffen, kan het bedrijf complexe reacties genereren om een verscheidenheid aan chemicaliën te produceren. Greenlight zegt dat zijn technologie het bedrijf in staat stelt om goedkopere versies van bestaande chemicaliën te maken en al een levensmiddelenadditief, geneesmiddelen en pesticiden en herbiciden heeft geproduceerd.
De grootste motivatie bij het starten van het bedrijf was om erachter te komen hoe dergelijke verbindingen op een milieuvriendelijkere manier kunnen worden geproduceerd, zegt CEO Andrey Zarur . Maar de producten van Greenlight moeten ook goedkoper zijn dan die geproduceerd door chemische of celgebaseerde productie, zegt hij, anders zullen industrieën terughoudend zijn om ze te gebruiken.
De strategie van Greenlight is een afwijking van klassieke fermentatieprocessen die afhankelijk zijn van vaten met levende microben. Het is ook anders dan een andere benadering van genetische manipulatie, vaak synthetische biologie genoemd, die de paden in microben aanpast zodat ze worden geoptimaliseerd om gewenste verbindingen te fabriceren. Verschillende bedrijven ontwikkelen bacteriën en gisten om speciale chemicaliën te produceren, maar voor het grootste deel houden deze groepen de insecten in leven. Amyris kan bijvoorbeeld biobrandstoffen, medicijnen en chemicaliën maken die worden gebruikt in cosmetica en smeermiddelen door microben te engineeren met nieuwe sets enzymen die suikers en andere uitgangsmaterialen kunnen wijzigen (zie Amyris kondigt commerciële productie aan van biochemicaliën en microben die malariamedicijn kunnen massaal produceren) ). Metabolix heeft bacteriën ontwikkeld om biologisch afbreekbaar plastic te produceren (zie A Bioplastic Goes Commercial).
Een probleem met die strategie is dat wanneer bacteriën en andere microben worden omgezet in levende chemische fabrieken, ze nog steeds wat middelen moeten steken in groei in plaats van chemische productie, zegt Mark Styczynski , een metabolisch ingenieur en systeembioloog aan het Georgia Institute of Technology. Bovendien is het metabolisme, zelfs in een ogenschijnlijk eenvoudige bacterie, gecompliceerd. Metabole routes hebben complexe regulatie binnen en over hen, zegt hij. Het veranderen van één metabolische route om de chemische productie te verbeteren, kan brede en soms negatieve gevolgen hebben voor de rest van de cel.
Het scheiden van het productiepad van de behoeften van de cel zou dus een enorm voordeel kunnen zijn, zegt hij. Greenlight vermijdt microben niet volledig. In de zonnige laboratoriumruimte van het bedrijf ten noorden van Boston gebruiken onderzoekers borrelende bioreactoren om bacteriën in vloeibare cultuur te kweken, waarbij ze verschillende soorten en stammen in stand houden die een verscheidenheid aan enzymen kunnen produceren. Zodra de beestjes een bepaalde dichtheid hebben bereikt, sturen de onderzoekers ze door een hogedrukextruder om ze in stukken te breken. Vervolgens voegen ze medicijnen toe aan de resulterende grijze slurry om de meeste metabole enzymen van de cellen uit te schakelen; de bruikbare enzymen zijn onaangetast omdat ze zijn ontworpen om weerstand te bieden aan de medicijnen.
De technologie die ervoor zorgt dat de blootgestelde metabole routes werken, is ontwikkeld door: James Swartz , een biochemisch ingenieur aan de Stanford University die zijn functie als eiwitingenieur bij het biotechnologiebedrijf Genentech verliet om celvrije methoden te ontwikkelen voor het produceren van farmacologische eiwitten (insuline is een voorbeeld van een medicijnachtig eiwit dat door biotechnologie kan worden geproduceerd). Op zoek naar meer controle over de biologische machinerie die eiwitten produceert, bedacht Swartz hoe hij die machine de biochemische omgeving kon geven die het nodig had, zelfs buiten zijn normale huis in een cel. Zijn methoden stelden hem niet alleen in staat om complexere eiwitten te maken, maar het bleek dat ze ook konden worden gebruikt om biologische machines aan te sturen om kleine moleculen en chemicaliën te maken. We hebben ontdekt dat door het reproduceren van de chemische omstandigheden die zich in de cel voordoen, we veel metabolische processen activeren, zelfs als mensen dachten dat ze te ingewikkeld waren, zegt hij.
Greenlight kan problemen oplossen en de metabole productie van chemicaliën aanpassen op manieren die meer lijken op chemische technologie dan alles wat wordt aangetroffen in typische microbiële engineering. De celvrije slurries zijn 96 uur actief voordat de enzymen beginnen af te breken. Op dat moment moet een nieuwe batch microben worden gekweekt.
Een van de schoonheden van de cel is dat hij zichzelf repliceert, zegt David Berry, een principe van Flagship Ventures, die medeoprichter was van de biobrandstoffenbedrijven LS9 en Joule Unlimited. (Bes is een 2007 MIT Technology Review Innovator Under 35.) Maar hoewel een celvrij systeem dat voordeel misloopt, zijn er andere voordelen, zoals superieure flexibiliteit. Er is het potentieel om met meer input te werken en situaties te omzeilen waarin bepaalde paden momenteel niet werken vanwege de behoeften van de cel, zegt Berry.
Zarur zegt dat Greenlight begin volgend jaar zijn eerste product op de markt zou kunnen hebben. Het wordt een voedingssupplement met gezondheidsvoordelen, zegt hij.
Het bedrijf heeft ook een subsidie van $ 4,5 miljoen ontvangen van ARPA-E om een systeem te ontwikkelen voor het omzetten van methaan, het belangrijkste ingrediënt in aardgas, in vloeibare brandstof. Het bureau zegt dat dergelijke technologie mobiele vergisters in staat zou kunnen stellen om toegang te krijgen tot afgelegen bronnen van aardgas voor goedkope omzetting van aardgas in vloeibare brandstof.