Des chercheurs japonais ont développé un système de biologie synthétique intégré pour construire de nouvelles voies métaboliques et enzymes au sein des microbes. En incorporant un "Design, Construire, Test, Workflow d'apprentissage" (DBTL), la production de matières premières pharmaceutiques pourrait être systématiquement optimisée. Cette application prend en charge le concept du flux de travail DBTL en tant que méthode durable de production de matériaux complexes et précieux. Les résultats ont été publiés le 1er mai dans la revue en libre accès Communication Nature .

Cette étude fait partie d'un projet de la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), et a été réalisée par une équipe de recherche de l'Université de Kobe dirigée par le professeur adjoint Christopher Vavricka, Professeur invité Michihiro Araki, Professeur Tomohisa Hasunuma et professeur Akihiko Kondo. Collaboration étroite avec une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Hiromichi Minami (Institut de recherche sur les bioressources et la biotechnologie, Ishikawa Prefectural University) était également au cœur de ce projet.

L'équipe de recherche collaborative participe à un projet de recherche et développement NEDO sous le thème "Développement de techniques de production de biomatériaux hautement fonctionnels à l'aide de cellules intelligentes de plantes et d'autres organismes (Smart Cell Project)". L'objectif du projet Smart Cell est de produire en masse des matériaux cibles de grande valeur en introduisant des gènes qui codent des voies améliorées dans les microbes hôtes. Ce processus repose fortement sur la technologie d'analyse de l'information pour reconcevoir les systèmes et les voies métaboliques qui peuvent augmenter les quantités de production et l'efficacité de la production.

La production d'alcaloïdes a été choisie comme un excellent exemple d'optimisation car les alcaloïdes sont des intermédiaires clés dans la production de produits pharmaceutiques, y compris les analgésiques opioïdes. Récemment, la production d'analgésiques dérivés d'alcaloïdes a été réalisée à l'aide de microbes, mais pour rendre cette production commercialement viable, les rendements doivent être améliorés. L'intermédiaire alcaloïde clé tétrahydropapaveroline (THP) était auparavant produit à l'aide d'une combinaison de deux enzymes :la L-aminoacide décarboxylase aromatique (AAAD) et la monoamine oxydase (MAO). Cependant, la spécificité relâchée de la MAO a été un obstacle à une production efficace de THP.

Pour améliorer ce processus, un programme de conception métabolique appelé M-path a été mis à l'épreuve. Ce logiciel de prédiction a été développé par le professeur Araki de l'université de Kobe, et appliqué pour identifier de nouvelles enzymes qui peuvent contourner la MAO pour des voies améliorées vers l'alcaloïde intermédiaire clé THP. L'analyse du chemin M a conduit à la découverte d'une enzyme naturelle prometteuse trouvée dans les vers à soie appelée 3, 4-dihydroxyphénylacétaldéhyde synthase (DHPAAS) comme alternative à la MAO. Le DHPAAS est nouveau en ce qu'il possède une capacité d'oxydation des amines en plus de l'activité de décarboxylation conventionnelle. L'équipe a ensuite développé des méthodes d'ingénierie enzymatique basées sur la structure pour identifier les acides aminés clés impliqués dans la détermination de l'activité enzymatique du DHPAAS. Cela leur a permis de créer des enzymes DHPAAS artificielles qui peuvent ajuster le rapport des activités de décarboxylase et d'amine oxydase, conduisant à une meilleure production de l'intermédiaire clé THP.

Lorsque l'équipe a introduit la nouvelle voie métabolique, y compris les enzymes modifiées, dans la bactérie de laboratoire conventionnelle Escherichia coli, ils ont pu contrôler avec précision le rapport des intermédiaires clés dopamine (production de décarboxylation) et DHPAA (produit d'oxydation). L'équilibrage des niveaux de dopamine et de DHPAA a permis d'améliorer la production d'alcaloïdes dans les « cellules intelligentes » redessinées. Pour optimiser davantage le système de production microbienne, plus de 100 métabolites ont été analysés avec les systèmes d'analyse de masse Shimadzu, permettant à l'équipe d'identifier les réactions de goulot d'étranglement et les réactions secondaires formant des sous-produits. En incorporant les informations sur les métabolites en tant que données d'apprentissage pour faire avancer un nouveau cycle DBTL, la production d'alcaloïdes intermédiaires en aval a été encore améliorée.

Ces résultats démontrent que la combinaison de la biotechnologie de pointe et de l'informatique est une stratégie efficace pour développer rapidement des usines cellulaires capables de produire de nombreux types différents de matériaux précieux. En outre, la capacité de concevoir des fonctions enzymatiques artificielles peut aider à élargir la gamme de cibles de production possibles. Avoir hâte de, les auteurs pensent que le flux de travail DBTL permettra une production plus efficace de divers matériaux utiles, y compris les produits pharmaceutiques, produits chimiques raffinés, produits chimiques en bon état, produits chimiques biologiques et biocarburants. Ce flux de travail de biologie synthétique devrait apporter une contribution significative à l'industrie des cellules intelligentes de nouvelle génération pour la production de produits pharmaceutiques et chimiques complexes ainsi que de matériaux nouvellement découverts.