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Applicazioni di Metabolic Engineering Summary Module 2 I punti chiave di questo modulo sono i seguenti: Negli ultimi due decenni l'ingegneria metabolica è stata sfruttata per:
- Migliorare i processi di fermentazione microbica tradizionale
- Produrre sostanze chimiche attualmente utilizzate come combustibili, materiali e ingredienti farmaceutici.

Strategie in ingegneria metabolica: Genoma editing ed evoluzione Tolleranza engineering Rewiring di flussi metabolici Crescita basata sulla crescita e l'evoluzione del laboratorio adattativo Subcellulare la compartimentazione e il traffico di organismi eucariotici

Le sostanze chimiche prodotte dalle fabbriche di celle microbiche possono essere classificate in:
(1) Biofuel (2) Commodity Chemicals and (3) Prodotti naturali Challenges verso la produzione di biocombustibili economici:
(1) Flussi di carbonio dal substrato dissipano in una rete metabolica complessa. Oltre ai prodotti desiderati, il microbico ospita il flusso di carbonio diretto per sintetizzare la biomassa, i metaboliti di overflow e gli enzimi eterologi.
(2) L'host Microbiale deve ossidare una grande porzione di substrato per generare sia ATP che NADPH per alimentare la sintesi di biocarburante.
(3) Grandi limitazioni di trasferimento in bioreattori di grandi dimensioni creano condizioni di crescita eterogenee e fluttuazioni micro - ambientali che inducono stress metabolici e instabilità.
Le fabbriche microbiche per la produzione di biocombustibili - Estese ricerche sono state eseguite sulla produzione microbica di biocarburanti utilizzando le materie prime rinnovabili.
Ingegneria metabolica della produzione di etanolo da parte dei microbi: Per la legnocellulosa l'essere amabile alla fermentazione, deve sottoporsi a trattamenti che rilasciano i suoi zuccheri monomerici, che il thane può essere convertito da microrganismi. L'utilizzo efficiente delle componenti emicellulosiche delle materie prime, ad esempio il legno massiccio, lo xilosio, ecc., offre l'opportunità di ridurre del 25% i costi di produzione di etanolo. Sono coinvolti due passi principali e questi passi sono:
1. Un pretrattamento che rilascia esali e pentole da emicellulosa (procedure fisiche o chimiche).
2. Trattamento enzimatico Il processo biologico di produzione di etanolo utilizzando il lignocellulosa come substrato richiede tre passaggi:
Delignificazione: Liberare la cellulosa e l'emicellulosa dal loro complesso con lignina.
Impoverolymerizzazione: produrre zuccheri liberi dai polimeri di carboidrati (cellulosa e emicellulosa).
Fermentazione: produrre il biocombustibile dell'etanolo dagli zuccheri misti e pentosi.
Le materie prime per la produzione di etanolo sono:
1. Crops ad esempio canna da zucchero, mais, ecc.
2. Lignocellulosa - Costituita ~ 45% cellulosa, ~ 30% emicellulosa e ~25% lignina.
La conversione della biomassa lignocellulosica in etanolo comporta cinque passi principali:
1. Raccolta e consegna di feedstock alla pianta
2. Predimento della materia prima
3. La saccarificazione enzymatica
4. Fermentazione
5. La formulazione del prodotto La scelta dei microorganismi utilizzati per la produzione di biocarburante comprende:
Etanologi
Batteri enterici I tratti essenziali migliorati attraverso l'ingegneria metabolica comprendono:
Ampia gamma di utilizzo del substrato per S. cerevisiae e Z. mobilis.
Alto rendimento dell'etanolo e produttività in E. coli e altri batteri enterici.
Minima formazione byproduct nei lieviti e E. coli.
Maggiore tolleranza all'etanolo da parte dei microrganismi
Maggiore tolleranza agli inibitori da parte dei microrganismi
Tolleranza al processo di durezza
I tratti desiderati migliorati tramite l'ingegneria metabolica comprendono:
1. La capacità di utilizzo simultaneo di vari zuccheri.
2. Cellulosa / emicellulosa degradazione da parte di microrganismi
3. Altri tratti desiderabili, ad esempio crescita a basso pH e alta temperatura, requisiti nutrienti minimi, ecc.
Ingegneria metabolica del lievito per la produzione di etanolo emicellulosico Per consentire la fermentazione di xilosio per lieviti, vengono adottate tre strategie principali, che sono:
1. L'inserimento del gene della isomerasi batterica
2. L'inserimento del gene di utilizzo pentoso
3. Miglioramento del consumo di xilosio S. cerevisiae per il metabolismo efficiente dello xilosio: S. cerevisiae è stato ingegnerizzato per esprimere xylosa isomerae (XI) o xylose riduttore - xilitolo deidrogenasi (XR/XDH) che converte xyperdono a D-xyluperdono. La D - xyluperdere può entrare nel pathway del fosfato pentoso tramite xillochinasi endogena (XK) ed essere ulteriormente metabolizzata attraverso il metabolismo centrale del carbonio.
I tentativi iniziali di migliorare la fermentazione di xilosio mediante lieviti ingegnerizzati includono:
1. Ottimizzazione delle vie metaboliche xylose
2. Introduzione dei trasportatori di xilosio eterologa
3. Eliminazione dei percorsi metabolici endogeni che sifone intermedi
4. L'evoluzione del laboratorio adattativo con tecniche analitiche di genere.
Strategie di ingegneria metabolica in E. coli verso la produzione di biocombustibili a etanolo
E. coli è in grado di utilizzare sia gli zuccheri pentosi che esche, ed è altamente amabile all'ingegneria metabolica per la produzione di carburante. È l'ospite preferito per la produzione di etanolo da lignocellulosa (anche noto come biomassa cellulosica) perché:
1. E'il microorganismo più studiato in termini di regolazione del gene e di espressione.
2. Può crescere in modo efficiente su una vasta gamma di substrati di carbonio.
3. Può crescere su supporti minerali poco costosi in condizioni aerobiche e anaerobiche.
4. Si mantiene alti i flussi glicolitici.
5. Si esprime ragionevole tolleranza all'etanolo.
6. Disponibilità di info genetiche dettagliate e strumenti genetici diversificati per la manipolazione dei geni.
Applicazione dell'ingegneria metabolica nella produzione di aminoacidi Le recenti tendenze nei miglioramenti del ceppo microbico verso la produzione di aminoacidi comprendono:
1. Industria metabolica di sistema
2. Analisi singola cella
3. Biologia sintetica
4. Ingegneria evolutiva Le strategie comuni per la progettazione di aminoacidi che producono ceppi sono:
1. L'amplificazione degli enzimi del percorso di biosintesi per gli aminoacidi bersaglio.
2. Riduzione della formazione di sottoprodotti.
3. Il rilascio di un regolamento di feedback per gli enzimi chiave da parte dell'aminoacido bersaglio.
4. Maggiori fornitura di riduzione di equivalenti come NADPH.
5. Riduzione dei flussi metabolici al ciclo TCA dell'acido tricarbossilico.
Le strategie di ingegneria metabolica dei sistemi per gli aminoacidi ad alta produzione sono categorizzate come:
1. approccio basato su Pathway.
2. approccio basato sulla biologia dei sistemi
3. Approccio evolutivo