Forskere fra The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ved DTU har udviklet et biosensor-system, som kan måle koncentrationen af bio-kemikalier produceret af bagegær.
Celler som fx gær (S. cerevisiae) kan ændres genetisk til at producere værdifulde kemikalier på en biologisk, bæredygtig måde. Men det er svært at afgøre, hvor gode forskellige celle-varianter er til at producere kemikaliet. For at identificere de bedste celler, har forskere nu udviklet et design for biosensorer, der får gærceller til at lyse, når det rette kemikalie produceres.
Sensorerne får simpelthen gærcellerne til at lyse op under UV-lys, hvis de producerer det ønskede kemikalie. For at få gærceller til at producere store mængder bio-kemikalier, må forskerne skræddersy cellens gener. Udfordringen er dog ofte, at det er tidskrævende at finde frem til de mest effektive celler blandt tusinder af varianter.
Men med biosensor-systemet bliver dette arbejde nu hurtigere og lettere. Derfor vil det udviklede design til biosensorer være til stor gavn for firmaer, der producerer kemikalier og medicinske produkter ved hjælp af fx gær og bakterier – såkaldte cellefabrikker.
"Så vidt vi ved, er dette den første succesfulde direkte overførsel af transkriptions-aktivatorer fra bakterier over i en højerestående celle."
Michael Krogh Jensen, seniorforsker, DTU Biosustain
Dette omfattende stykke videnskabelige arbejde er nu blevet offentliggjort I det velansete videnskabelige tidsskrift Nature Chemical Biology.
Gærceller skræddersys til at fremstille smagsstoffer
I dag bliver mange kemikalier, plastprodukter og ingredienser til fødevarer fremstillet af olie eller sjældne planter. Ved at bruge celler som fabrikker til at producere kemikalierne, kan olien og planterne ofte fjernes fra ligningen, så produktionen bliver grønnere og mere bæredygtig.
Forskerne testede forskellige biosensorer i gærceller. To af biosensorerne var skræddersyet til at måle produktionen af henholdsvis cis,cis-muconsyre (CCM) og naringenin.
CCM er et vigtigt mellemprodukt i fremstillingen af bio-plast, mens naringenin er et meget efterspurgt smagsstof og antioxidant, som findes i grapefrugter. At kunne fremstille disse molekyler i cellefabrikker – og at kunne påvise at produktionen finder sted – er meget interessant for virksomheder, der arbejder med produktion af kemikalier i cellefabrikker.
Kemikaliet aktiverer lysende protein
Biosensoren virker ved, at hvis det ønskede kemikalie produceres, vil kemikaliet koble sig til en såkaldt transkriptions-aktivator. Sammenkoblingen bevirker, at komplekset binder sig til en bestemt designet DNA-sekvens, der får cellen til at udtrykke grønt fluorescerende protein (GFP). Dette protein udsender et grønt lys, når det udsættes for UV-lys og sladrer dermed om tilstedeværelsen af kemikaliet i cellen.
Jo mere af det ønskede kemikalie, jo mere GFP og jo mere intenst vil cellen lyse.
Lysintensiteten afslører mængden
Transkriptions-aktivatoren i disse biosensorer stammer fra bakterier. Normalt virker transkriptions-aktivatorer fra bakterier ikke i højere organismer som gær, men i dette forsøg lykkedes det forskerne at få gær til at bruge bakteriens ”genetiske tænd-sluk knapper”.
"Så vidt vi ved, er dette den første succesfulde direkte overførsel af transkriptions-aktivatorer fra bakterier over i en højerestående celle," siger forfatter Michael Krogh Jensen, seniorforsker ved sektion for ’Synthetic Biology Tools for Yeast’ på DTU Biosustain.
Derudover viste forskerne, at lysintensiteten fra GFP var direkte proportional med den producerede mængde CCM eller naringenin, selv ved de højest målte koncentrationer af molekylerne. Lysintensiteten afslørede således, præcis hvor meget af molekylet hver gærcelle kunne producere.
Små ændringer er nødvendige
Forskerne brugte forskellige transkriptions-aktivatorer til at måle flere forskelige industrielt interessante kemikalier. For de fleste transskriptions-aktivatorer viste forskerne, at et nøje bestemt design af promoteren, der driver ekspressionen af GFP, var nøglen til at få systemet til at virke.
"I bund og grund betyder vores opdagelse, at hvis man kan identificere transkriptions-aktivatoren, der binder kemikaliet, som man ønsker at udvikle en biosensor for, og den tilsvarende DNA-sekvens, som komplekset binder sig til, så har man en stor sandsynlighed for at kunne udvikle en biosensor," siger Michael Krogh Jensen.
Derfor forventer forskerne bag biosensor-systemet også, at det kan bruges til at måle produktionen af mange forskellige kemiske forbindelser, såsom brændstof, tilsætningsstoffer og medicin i genetisk modificerede gærceller.
Læs mere i artiklen "Engineering prokaryotic transcriptional activators as metabolite biosensors in yeast", ML Skjoedt et al., Nature Chemical Biology (2016)