Впервые большое количество мелатонина производится бактериями. В ферментационных чанах промышленных размеров безвредные штаммы сконструированных бактерий кишечной палочки питаются глюкозой и вырабатывают мелатонин, гормон, контролирующий циркадные ритмы и служащий снотворным.

Это крупномасштабное производство чистого мелатонина бактериями является одним из недавних примеров расширяющейся индустрии биопроизводства. В биопроизводстве генетически запрограммированные микроорганизмы служат биологическими фабриками, производящими определенные продукты. Этот способ производства растет в Соединенных Штатах и ​​во всем мире, отчасти благодаря ряду фундаментальных достижений, сделанных биоинженерами из Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего.

«На самом деле история заключается в том, что биопроизводство расширяется в своем диапазоне применения в потребительских товарах. Мелатонин, наконец, вышел из употребления. Исследование мелатонина.

В дополнение к его использованию в качестве снотворного, мелатонин рассматривается для гораздо более широкого спектра применений, включая уход за кожей, добавки к расслабляющим напиткам, кормовые добавки для аквакультуры и ряд применений для растений в сельском хозяйстве.

«Инженерная школа Джейкобса при Калифорнийском университете в Сан-Диего является движущей силой современного биопроизводства. В этом проекте мелатонина мы сотрудничали с коллегами в Дании, чтобы разработать, а затем расширить биопроизводство ценного продукта. Для этого мы опирались на фундаментальные инновации, сделанные здесь, в отделе биоинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего. Я надеюсь, что этот проект подчеркивает огромные возможности, которые открываются в биопроизводстве. Во многих случаях отсутствует последний шаг, а именно масштабирование до коммерчески значимых объемов. Нам нужно много больше пилотных установок среднего размера, которые позволяют исследователям масштабировать свои инновации в области биопроизводства до такой степени, что они готовы перейти к коммерческому производству».

Палссон возглавляет исследовательскую группу по системной биологии в непрофессиональном отделении биоинженерии Shu Chien-Gene Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего. Хотя глобальные инновации — это почти всегда командный вид спорта, Палссон и его исследовательская группа в области биоинженерии из Калифорнийского университета в Сан-Диего добились двух крупных достижений, которые теперь обеспечивают современное биопроизводство.

Во-первых, биоинженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего во главе с Палссоном использовали вычислительную биологию, чтобы создать новые и более совершенные инструменты для разработки путей метаболического производства, которые будут вставлены в геномы микроорганизмов. Другими словами, команда разработала новые вычислительные инструменты для разработки метаболических инструкций, которые предписывают микробам выполнять определенные задачи, такие как выработка мелатонина, при выполнении их обычных клеточных функций.

Во-вторых, биоинженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего в лаборатории Палссона изобрели автоматизированную адаптивную лабораторную эволюционную машину. С этой роботизированной платформой исследователи позволяют эволюции выполнять работу по созданию оптимизированных штаммов запрограммированных бактерий, которые чрезвычайно эффективны в выполнении того, на что они были запрограммированы, обычно производя метаболиты. Они делают это на основе метаболических инструкций, которые исследователи сначала разработали на компьютере, а затем вставили.

В случае мелатонина автоматизированная роботизированная машина команды использовала естественный процесс эволюции, чтобы превратить штамм бактерий кишечной палочки, несущих вставленные инструкции по производству мелатонина, в штамм кишечной палочки, который может расти только в том случае, если он вырабатывает мелатонин. Этот метаболический дизайн называется системой отбора, связанной с ростом. Ведущим инженером этого проекта является Адам Файст, исследователь биоинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего и доктор философии. выпускник факультета биоинженерии. Этот адаптивный лабораторный подход к эволюции позволил создать функциональные ферменты, которые позволили группе синтетических биологов во главе с доктором философии Лей Янгом. на совместном сайте в Техническом университете Дании, чтобы построить метаболический путь, который производит мелатонин.

«Вы можете вручную проводить эволюционные эксперименты в лаборатории. Это чрезвычайно трудоемко, может иметь разные результаты и имеет низкую производительность — вы не можете проводить очень много эволюций одновременно», — сказал Файст. «Лабораторная эволюция существует уже некоторое время, но ее автоматизация делает ее настоящим инженерным инструментом — контроль качества с помощью алгоритмов, которые в режиме реального времени принимают решения о том, как лучше всего проводить эксперименты, возможности высокой производительности для воспроизведения результатов эволюции, многих раз и сбор количественных данных в режиме реального времени — все происходит быстрее».

Расширение биопроизводства

Результатом работы автоматических адаптивных лабораторных эволюционных машин являются штаммы бактерий, которые хорошо растут в стаканах размером с кофейную чашку. Коммерческое биопроизводство требует еще одного шага: увеличения производства до тысяч литров.

«Масштабирование — это ключ к коммерческому внедрению биопроизводства», — сказал Палссон. «Автоматизированная лабораторная эволюционная машина, которую мы создали в Калифорнийском университете в Сан-Диего, имеет решающее значение для превращения сконструированных штаммов бактерий в штаммы, которые процветают в среде ферментации в промышленных масштабах. инжиниринг и обучение будущей рабочей силы, необходимых для успешного масштабирования».

Чтобы процессы биопроизводства работали, например, требуется точно контролировать среду, в которой живут микробы. масштабная среда.

В случае с мелатонином такое масштабирование было проведено в Дании на пилотном заводе в Центре биоустойчивости Фонда Ново Нордиск под руководством доктора философии Андреаса Ворберга, где до недавнего времени Палссон занимал должность генерального директора Центра, кроме того к его роли в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Этот исследовательский центр со штаб-квартирой в Техническом университете Дании занимается разработкой реальных приложений для тех достижений в области инженерии генома, которые команда Палссона и другие специалисты по всей стране и во всем мире делают годами.

«Инженерные школы в Соединенных Штатах должны разработать масштабные подходы к биопроизводству», — сказал Палссон. В 50-х и 60-х годах, когда антибиотики начали массово производиться микроорганизмами путем ферментации, в университетах США были заводы по ферментации. «Эти мощности необходимо перестроить. В то же время той технологии ферментации уже 80 лет. Нам также необходимо разработать принципиально новые технологии и инженерные подходы для масштабирования и производства», — сказал Палссон.

Беседуя с коллегами по отрасли, Палссон сказал, что очевидно, что увеличение масштабов будет узким местом, когда речь заходит о том, станут ли США мировым лидером в области биопроизводства следующего поколения. «Сегодня люди могут выполнять все виды редактирования генома и все виды творческой синтетической биологии. Автоматизированная лабораторная эволюционная машина, которую мы создали в Калифорнийском университете в Сан-Диего, имеет решающее значение для этого процесса получения новых сконструированных штаммов бактерий и превращения их в штаммы, которые процветают в ферментации в промышленных масштабах. Но заставить сконструированные штаммы эффективно функционировать в больших масштабах — еще один трудный шаг. У вас должен быть биолитейный завод или экспериментальные установки, чтобы помочь с масштабированием и предоставить возможности для обучения инженеров-технологов, инженеры-химики, биоинженеры, системные инженеры, которые абсолютно необходимы для будущего успеха биопроизводства в Соединенных Штатах».

Палссон участвовал в проекте мелатонина с самого начала, сначала в Центре биоустойчивости фонда Novo Nordisk, а теперь в качестве члена совета директоров Conarium Bioworks, компании из Мэриленда, которая получила лицензию на соответствующую интеллектуальную собственность от Технического университета Дании. Хорошо известный как снотворное, мелатонин также используется во все большем количестве приложений в косметике, сельском хозяйстве и оздоровительных продуктах.

«Насколько нам известно, наш мелатонин является одним из первых основных потребительских продуктов, заменяющих синтетическое соединение соединением, которое будет полностью производиться путем биопроизводства», — сказал Стин Ниссен, генеральный директор Conarium Bioworks, компании, которая лицензировала интеллектуальный собственности для этого производственного процесса от Технического университета Дании.

Подавляющее большинство материалов коммерческого масштаба, которые в настоящее время производятся с помощью биопроизводства, служат промежуточными продуктами, которые интегрируются в традиционные производственные процессы. Одним из пионеров такого биопроизводства является компания Genomatica, которая в настоящее время является мировым лидером в области биопроизводства широкого спектра химического сырья. Эта компания из Сан-Диего была основана выпускником биоинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Кристофом Шиллингом вместе с Палссоном, который был его доктором философии. советник. В Инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего Палссон возглавляет кафедру YC Fung Endowed в области биоинженерии.