Microbiologie in hapklare porties
Beheer van hulpbronnen bij overbelaste microben
Microben zijn net kleine fabriekjes die allerlei producten maken. De microben in kaas, bijvoorbeeld, zetten melk op natuurlijke wijze om in meer smakelijke moleculen. Maar we kunnen microben ook instructies geven om eiwitten te produceren die ze normaal niet maken, door nieuwe genen in te bouwen.
Net als in een klassieke fabriek zijn er echter grenzen aan de microbiële eiwitproductie. In de fabriek vereist een dringende noodzaak om een bepaald product te produceren een reorganisatie: werknemers die voorheen schoonmaakwerk deden of lunch voorbereidden, kunnen nu ook voor de productie worden ingezet. Het resultaat kan een iets minder schone fabriek zijn, of onvoldoende lunch bereiding.
Hetzelfde gebeurt bij microben, maar in plaats van de werknemers zijn het de enzymen die worden gereorganiseerd wanneer de productiebehoefte hoog is. Wanneer de hoeveelheid eiwit die door een microbe geproduceerd moet worden erg groot is, noemen we dit een metabolische belasting. Deze belasting kan leiden tot een herschikking van het metabolisme van de cel, het netwerk van reacties dat in de cel plaatsvindt. De manier waarop werkers/enzymen opnieuw worden toegewezen, noemen we de toewijzing van hulpbronnen.
In dit onderzoek keken de onderzoekers naar de toewijzing van hulpbronnen in Pseudomonas putida. Ze vroegen zich af hoe de reacties die plaatsvinden in deze bacterie (zijn metabolisme) worden herschikt wanneer hij wordt gedwongen om veel eiwitten te produceren. Hoe worden de enzymen in deze minifabriek gereorganiseerd?
Om deze vraag te beantwoorden, voegden ze aan P. putida een gen toe dat een heteroloog eiwit uitdrukt (een eiwit dat normaal niet door dit organisme wordt geproduceerd). Ze plaatsten dit gen onder controle van een induceerbare promotor, die kan worden vergeleken met een kraan of een dimschakelaar: de expressie van het gen kon meer of minder worden geopend, afhankelijk van de hoeveelheid inducer die aan de bacterie werd toegediend. Op deze manier konden de onderzoekers testen wat er zou gebeuren met de toewijzing van hulpbronnen als reactie op een hoge metabolische belasting door de expressie van het heterologe eiwit helemaal open te draaien.
Toen de onderzoekers de kraan van het heterologe eiwit helemaal open draaiden, begonnen de cellen een stuk minder snel te groeien. Dit gaf aan dat er inderdaad sprake was van een metabole belasting: de cellen konden de groei niet volhouden door de hoge productiebehoefte. Vergelijk dit met het eerder beschreven fabrieks scenario: wanneer veel arbeiders gedwongen worden om aan productie te werken, blijven er minder over voor andere taken, zoals groei. Het metabolisme van P. putida bleek inderdaad gereorganiseerd te zijn in dit scenario. Eén teken van deze herschikking was de verhoogde uitscheiding van een verbinding genaamd 2-ketogluconaat (2-KG). Onder normale omstandigheden is deze verbinding een tussenproduct in een alternatieve route om glucose om te zetten in energie en P. putida te helpen groeien (zie onderstaande figuur). Het onderzoek suggereerde dat P. putida, vanwege het hoge niveau van heterologe eiwitproductie, zijn enzymen opnieuw moet toewijzen. Ze werden nu gebruikt voor eiwitproductie in plaats van voor de voortzetting van de 2-KG-route. Als gevolg daarvan werd 2-KG uitgescheiden zonder gebruikt te worden.
Belangrijk is dat het onderzoek ook aantoonde dat voor de productie van het heterologe eiwit geen extra koolstof nodig was. Om bij de fabrieksmetafoor te blijven, denk aan een broodfabriek. Het heterologe eiwit zou een nieuw soort brood zijn waarvoor niet meer meel (koolstof) nodig is, maar waarvoor wel meer arbeiders (enzymen) nodig zijn, omdat het volgens een ingewikkelder recept wordt gemaakt. Al met al laat dit onderzoek zien hoe de arbeiders in de eiwitfabriek die P. putida is, worden herschikt als ze een moeilijke taak moeten uitvoeren. De uitkomsten geven nieuwe ideeën om de eiwitproductie in deze bacterie te optimaliseren.
Link to the original post: Vogeleer, P., Millard, P., Arbulú, A., Pflüger-Grau, K., Kremling, A., Létisse, F. Metabolic impact of heterologous protein production in Pseudomonas putida: Insights into carbon and energy flux control. Metabolic Engineering 81 (2024) 26–37. https://doi.org/10.1016/j.ymben.2023.10.005
Featured image: Original image made with Bing Image Generator.
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 