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Applications du génie métabolique Résumé Module 2 Les points clés de ce module sont les suivants: Au cours des deux dernières décennies, l'ingénierie métabolique a été exploitée pour:
-Améliorer les processus de fermentation microbienne traditionnels
-Produire des produits chimiques qui sont actuellement utilisés comme carburants, matériaux et ingrédients pharmaceutiques.

Stratégies en génie métabolique: édition et évolution du génome Ingénierie de la tolérance Reconnexion des flux métaboliques Sélection basée sur la croissance et évolution du laboratoire adaptatif compartimentalisation subcellulaire et trafic d'organismes eucaryotes

Les produits chimiques produits par les usines de cellules microbiennes peuvent être classés en:
(1) Biocarburant (2) Produits chimiques de base et (3) Produits naturels Défis à l'égard de la production économique de biocarburants:
(1) Les flux de carbone provenant du substrat se dissipent dans un réseau métabolique complexe. Outre les produits désirés, les hôtes microbiens dirigent le flux de carbone pour synthétiser la biomasse, les métabolites de débordement et les enzymes hétérologues.
(2) Les hôtes microbiens doivent oxyder une grande partie du substrat pour générer à la fois l'ATP et le NADPH pour alimenter la synthèse des biocarburants.
(3) Les fortes limitations de transfert dans les grands bioréacteurs créent des conditions de croissance hétérogènes et des fluctuations micro-environnementales qui provoquent des tensions métaboliques et l'instabilité.
Fabriques microbiennes pour la production de biocarburants-Des recherches approfondies ont été effectuées sur la production microbienne de biocarburants à partir de matières premières renouvelables.
Ingénierie métabolique de la production d'éthanol par les microbes: Pour que la lignocellulose se prête à la fermentation, elle doit subir un traitement qui libère ses sucres monomères, qui peuvent être transformés par des micro-organismes. L'utilisation efficace des composants hémicellulosiques des matières premières, p. Ex. Bois de feuillus, xylose, etc., offre la possibilité de réduire de 25% les coûts de production d'éthanol. Deux étapes principales sont en jeu, et ces étapes sont les suivantes:
1. Un prétraitement qui libère des hexoses et des pentoses d'hémicellulose (procédures physiques ou chimiques).
2. Traitement enzymatique Le processus biologique de production d'éthanol en utilisant la lignocellulose comme substrat nécessite trois étapes:
Délignification: libérer la cellulose et l'hémicellulose de leur complexe avec la lignine.
Déplolymérisation: produire des sucres libres à partir des hydrates de carbone (cellulose et hémicellulose).
Fermentation: produire le biocarburant à base d'éthanol à partir des sucres à l'hexose et au pentose.
Les matières premières pour la production d'éthanol sont:
1. Cultures de canne à sucre, maïs, etc.
2. Lignocellulose-Comprend ~ 45% de cellulose, ~ 30% d'hémicellulose et ~ 25% de lignine.
La conversion de la biomasse lignocellulosique en éthanol comporte cinq étapes principales:
1. Collecte et livraison de matières premières à l'usine
2. Prétraitement de la matière première
3. Saccharification enzymatique
4. Fermentation
5. Formulation du produit Le choix des micro-organismes utilisés pour la production de biocarburants comprend:
Ethanologens
Les bactéries entériques Les caractéristiques essentielles suivantes ont été améliorées grâce à l'ingénierie métabolique:
Large substrat-utilization range for S. cerevisiae and Z. Mobilis.
"High ethanol yield and productivity in E. coli and other ériques bacteria".
Minimal byproduct formation in yeasts and E. coli.
Tolérance accrue à l'éthanol par les microorganismes
Tolérance accrue aux inhibiteurs par les microorganismes
Tolérance au traitement de la rusticité
Les caractéristiques souhaitées se sont améliorées grâce à l'ingénierie métabolique:
1. Capacité d'utilisation simultanée de divers sucres.
2. Dégradation de la cellulose et de l'hémicellulose par les micro-organismes
3. Autres caractéristiques souhaitables, p. Ex. Croissance à faible pH et à haute température, exigences minimales en nutriments, etc.
Ingénierie métabolique Yeast pour la production d'éthanol hémicellulosique Pour permettre la fermentation du xylose par les levures, trois stratégies principales sont adoptées:
1. L'insertion du gène de la bactérie xylose isomérase
2. L'insertion d'un gène au pentose
3. Amélioration de la consommation de xylose S. cerevisiae pour le métabolisme efficace du xylose: S. cerevisiae a été conçu pour exprimer la xylose isomerae (XI) ou la xylose réductase-xylitol déshydrogénase (XR/XDH) qui convertit le xylose en D-xylulose. Le D-xylulose peut pénétrer dans la voie du pentose phosphate par la xylulokinase endogène (XK) et être métabolisé davantage par le métabolisme central du carbone.
Les premières tentatives pour améliorer la fermentation du xylose par des levures d'ingénierie comprennent:
Optimisation des voies métaboliques du xylose
2. Introduction de transporteurs de xylose hétérologues
3. Suppression des voies métaboliques endogènes qui siphon les intermédiaires
4. L'évolution adaptative en laboratoire avec des techniques analytiques à l'échelle du génome.
Stratégies de génie métabolique dans E. coli pour la production de biocarburants à l'éthanol
E. coli est capable d'utiliser des sucres au pentose et à l'hexose, et il est hautement flexible pour la production de combustible. C'est l'hôte préféré pour la production d'éthanol à partir de la lignocellulose (aussi connue sous le nom de biomasse cellulosique) parce que:
1. Il s'agit du micro-organisme le plus étudié en ce qui concerne la régulation et l'expression des gènes.
2. Il peut croître efficacement sur un large éventail de substrats carbonés.
3. Il peut croître sur des milieux minéraux peu coûteux dans des conditions aérobies et anaérobies.
4. Elle soutient des flux glycolytiques élevés.
5. Il exprime une tolérance raisonnable à l'éthanol.
6. La disponibilité d'informations génétiques détaillées et de divers outils génétiques pour la manipulation génétique.
Application de l'ingénierie métabolique à la production d'acides aminés Les tendances récentes dans l'amélioration des souches microbiennes vers la production d'acides aminés sont les suivantes:
1. Ingénierie métabolique du système
2. Analyse de cellule unique
3. Biologie synthétique
4. Ingénierie évolutionniste Les stratégies communes pour la conception des souches productrices d'acides aminés sont les suivantes:
1. L'amplification des enzymes de la voie de biosynthèse pour les acides aminés cibles.
2. Réduction de la formation des sous-produits.
3. La libération de la régulation de la rétroaction pour les enzymes clés par l'acide aminé cible.
4. Augmentation de l'offre d'équivalents réducteurs tels que le NADPH.
5. Réduction des flux métaboliques dans le cycle tricarboxylique de l'acide tricarboxylique.
Les stratégies d'ingénierie métabolique des systèmes pour les acides aminés sont catégorisées comme suit:
1. Approche par voie de chemin.
2. Approche fondée sur la biologie des systèmes
3. Approche évolutive