Réactions biosynthétiques construites dans E. coli pour la production in vivo de 12 SCPA. Ces 12 SCPA étaient ceux qui étaient produits par la valine décarboxylase (VlmD) in vitro (encadrés en pointillés). Les groupes amine et carboxylique indiqués dans chaque cadre en pointillés sont présentés avec des cercles jaunes et verts, respectivement. Les atomes de carbone du centre de réaction qui sont soumis à des transformations chimiques sont marqués d'astérisques. La glycolyse est indiquée par un fond rouge, ce qui conduit à la biosynthèse de 12 précurseurs d'acides aminés. Les réactions multiples sont présentées avec deux flèches ou plus. Crédit : Institut coréen avancé des sciences et de la technologie (KAIST)
Les ingénieurs métaboliques de KAIST présentent pour la première fois la production biologique de plusieurs amines primaires à chaîne courte qui ont un large éventail d'applications dans les industries chimiques. L'équipe de recherche dirigée par le professeur distingué Sang Yup Lee du Département de génie chimique et biomoléculaire a conçu les nouvelles voies de biosynthèse pour les amines primaires à chaîne courte en combinant la rétrobiosynthèse et une étape de sélection de précurseur.
L'équipe de recherche a vérifié les voies nouvellement conçues en confirmant la production in vivo de 10 amines primaires à chaîne courte en fournissant les précurseurs. Par ailleurs, les souches d'Escherichia coli de la plate-forme ont été métaboliquement modifiées pour produire trois amines primaires à chaîne courte de preuve de concept à partir du glucose, démontrant la possibilité de la production biologique de diverses amines primaires à chaîne courte à partir de ressources renouvelables. L'équipe de recherche a déclaré que cette étude étend la stratégie de conception systématique de voies biosynthétiques pour la production d'un groupe de produits chimiques apparentés, comme le démontrent plusieurs amines primaires à chaîne courte à titre d'exemples.
Actuellement, la plupart des produits chimiques industriels utilisés dans notre vie quotidienne sont fabriqués avec des produits à base de pétrole. Cependant, il existe plusieurs problèmes graves avec l'industrie pétrolière tels que l'épuisement des réserves de combustibles fossiles et les problèmes environnementaux, y compris le réchauffement climatique. Pour résoudre ces problèmes, la production durable de produits chimiques et de matériaux industriels est explorée avec des micro-organismes comme usines de cellules et de la biomasse non alimentaire renouvelable comme matières premières pour une alternative aux produits à base de pétrole. L'ingénierie de ces micro-organismes est devenue de plus en plus efficace et efficiente avec l'aide de l'ingénierie métabolique des systèmes - une pratique d'ingénierie du métabolisme d'un organisme vivant vers la production d'un métabolite souhaité. À cet égard, le nombre de produits chimiques produits en utilisant la biomasse comme matière première a considérablement augmenté.
Bien que la gamme de produits chimiques pouvant être produits à l'aide de micro-organismes continue de s'étendre grâce aux progrès de l'ingénierie métabolique des systèmes, la production biologique d'amines primaires à chaîne courte n'a pas encore été rapportée malgré leur importance industrielle. Les amines primaires à chaîne courte sont les produits chimiques qui ont un groupe alkyle ou aryle à la place d'un atome d'hydrogène dans l'ammoniac avec des longueurs de chaîne carbonée allant de C1 à C7. Les amines primaires à chaîne courte ont un large éventail d'applications dans les industries chimiques, par exemple, comme précurseur de produits pharmaceutiques (p. antidiabétiques et antihypertenseurs), produits agrochimiques (p. désherbants, fongicides et insecticides), solvants, et les accélérateurs de vulcanisation pour le caoutchouc et les plastifiants. La taille du marché des amines primaires à chaîne courte était estimée à plus de 4 milliards de dollars américains en 2014.
La principale raison pour laquelle la production biologique d'amines primaires à chaîne courte n'était pas encore possible était due à leurs voies de biosynthèse inconnues. Par conséquent, l'équipe a conçu des voies de biosynthèse synthétique pour les amines primaires à chaîne courte en combinant la rétrobiosynthèse et une étape de sélection de précurseur. La rétrobiosynthèse a permis la conception systématique d'une voie de biosynthèse pour les amines primaires à chaîne courte en utilisant un ensemble de règles de réaction biochimique qui décrivent les modèles de transformation chimique entre un substrat et des molécules de produit au niveau atomique.
Ces multiples précurseurs prédits pour la biosynthèse possible de chaque amine primaire à chaîne courte ont été séquentiellement réduits en utilisant l'étape de sélection des précurseurs pour des expériences d'ingénierie métabolique efficaces.
"Notre recherche démontre pour la première fois la possibilité de production renouvelable d'amines primaires à chaîne courte. Nous prévoyons d'augmenter l'efficacité de la production d'amines primaires à chaîne courte. Nous pensons que notre étude jouera un rôle important dans le développement de bio-industries respectueuses de l'environnement et la réorganisation de l'industrie chimique, qui est obligatoire pour résoudre les problèmes environnementaux menaçant la survie de l'humanité, " a déclaré le professeur Lee.
