Det har i mange år været umuligt at få gær til at lave nok af de små biologiske molekyler, der benyttes industrielt som dufte og biobrændsel. Nu har forskere udstyret gærsvampe med kunstige enzymer, så de kan lave duften af mentol.
At lave store mængder af monoterpenoider med mikroorganismer har i mange år været en hellig gral for metaboliske ingeniører.
Selvom det længe har været muligt at producere de store terpenoider gennem bioteknologiske metoder, har det indtil nu ikke været muligt at få mikroorganismer, som eksempelvis gærsvampe, til at lave de mindre terpenoider – monoterpenoiderne – der benyttes i stor stil i parfumeindustrien som dufte og i fødevareindustrien som smagsstoffer.
Den hæmsko er dog væk nu, efter forskere fra Københavns Universitet har haft succes med at indsætte en ny biosyntetisk reaktionskæde i helt almindelig bagegær, så den kan lave en række stoffer, der har enorm industriel interesse.
”Der findes 70.000 terpenoider i naturen, og vi benytter dem hver eneste dag til alle mulige formål. Vi kan ikke bare udnytte naturens ressourcer til at opfylde vores stigende behov, så derfor er det et gennembrud, at vi nu har vist, hvordan monoterpenoiderne kan laves biosyntetisk,” fortæller forskeren bag det nye studie, lektor Sotirios Kampranis fra Institut for Plante- og Miljøvidenskab på Københavns Universitet.
Det nye studie er for nylig offentliggjort i Nature Communications.
Terpenoider udgør en milliardindustri
Terpenoider er en stor gruppe biologiske molekyler, som findes over alt i naturen. Planter og bakterier bruger dem til at kommunikere med hinanden og til at beskytte sig selv.
Mange terpenoider bliver brugt som dufte, eksempelvis mynte eller mentol, men de bliver også brugt som biobrændsel; som farver, eksempelvis den røde farve i tomater; som kemoterapeutisk medicin, fx paclitaxel; og som malariamedicin, fx artemisinin. Endelig er mange hormoner, fx steroider, også terpenoider.
Virksomheder får de mest attraktive terpenoider fra opdyrkede planter og træer eller snupper dem direkte fra naturen, men hverken det ene eller andet er bæredygtigt på den lange bane. Det forklarer den stor interesse i at få gærsvampe til at lave de værdifulde terpenoider i store fermentationstanke så man kan undgå at uden at skade naturressourcer.
”Monoterpenoider og de andre terpenoider indgår i en gigantisk milliardindustri. Da vi ikke kan udnytte naturens ressourcer til at dække hele vores behov og kan ikke fortsætte med at lave dem med forurenende katalysatorer og opløsningsmidler, er det nødvendigt at finde ud af, hvordan vi kan producere dem biosyntetisk. Det har dog ikke været muligt endnu, fordi gærsvampene vil helst lave de andre terpenoider, men ikke monoterpenoiderne,” forklarer Sotirios Kampranis.
Industrien kæmper med gærsvampene om ressourcerne til at lave monoterpenoider
Problemet med gærsvampene er, at de byggeklodser, som bruges til at producere monoterpenoider, også bruges i gærcellernes produktion af steroler, som er nødvendige for at bygge deres cellevægge.
Det vil sige, at selvom forskere indsætter generne for at syntetisere eksempelvis duften mentol i en gærsvamp, vil det konkurrere med gærsvampens ønske om at vokse og dele sig.
Det påvirker både gærsvampens vækst og produktionen af monoterpenoiderne.
”Derfor har det været nødvendigt at finde en ny måde at få gærsvampe til at lave monoterpenoider,” siger Sotirios Kampranis.
En ny biosyntetisk reaktionskæde i gærsvampe
For at løse denne meget specifikke problemstilling er forskerne gået til opgaven på en ny måde.
Først manipulerede de gærsvampene genetisk, så gæren kan producere et såkaldt orthogonalt substrat, det vil sige et stof den ikke har brug for. Gærsvampene laver det bare som et biprodukt men har ikke videre brug for den. De gjorde dette ved at introducere et gen fra tomater inde i gærsvampe.
Så udnyttede forskerne det orthogonale substrat ved at udvikle nogle designer-enzymer, som kan omdanne det til forskellige monoterpenoider.
Generne for designer-enzymerne tog forskerne fra citrontræer, fyrretræer og salvie. Enzymerne var dog ikke vant til at udnytte det orthogonale stof til at lave monoterpenoider, så derfor skulle de manipuleres til at kunne udnytte det nye stof. Det gjorde forskerne ved at justere lidt på de gener, som laver enzymerne, så de i stedet for deres sædvanlige substrat, kunne klippe og klistre i det orthogonale substrat.
”Det smarte ved at bruge et orthogonal substrat er, at gærsvampen ikke kan bruge molekylet, så at syntetisere molekylerne som producere monoterpenoiderne konkurrerer ikke med væksten af gærsvampene. Dermed er vi gået fra at forsøge at lave en produktionskæde med noget, som gærsvampen har brug for til at vokse, til at lave en produktionskæde med noget, som gærsvampen ikke har brug for,” forklarer Sotirios Kampranis.
Industrien kan snart bruge teknikken
Hele ideen om at indsætte reaktionskæden i gærsvampe for at få dem til både at lave orthogonal substrat og at udnytte designer-enzymer til at lave monoterpenoider er nyskabende, men Sotirios Kampranis er sikker på, at industrien snart kan implementere den i deres produktion.
Virksomheder som eksempelvis Chr. Hansen eller Novo Nordisk kan udnytte teknologien til at lave farver til fødevarer og komponenter til medicin. Parfumeindustrien kan også let implementere teknologien for at udvikle den næste Chanel No5.
”Genet for orthogonal substrat skal bare indsættes på den måde, som vi beskriver i vores studie, og efterfølgende indsættes gener for de monoterpenoider, som man har brug for. Det vil formentlig ske allerede inden for ganske få år,” siger Sotirios Kampranis.
“Orthogonal monoterpenoid biosynthesis in yeast constructed on an isomeric substrate” er udgivet i Nature Communications. Sotirios Kampranis modtog i 2016 støtte fra Novo Nordisk Fonden til projektet ”Transforming yeast organelles into micro-factories for the compartmentalization of complex biosynthetic pathways”.
