來自美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員利用計算模型和基於CRISPR的基因編輯，在修改微生物以高效生產一種感興趣的化合物方面取得了前所未有的成功。他們的方法可以大大加快新的生物製造工藝的研究和開發階段，並使尖端的生物基產品，如可持續燃料和塑料替代品更快地擺上貨架。
該過程使用計算機算法–基於真實世界的實驗數據–來確定”宿主”微生物中的哪些基因可以被關閉，以重新引導生物體的能量來生產大量的目標化合物，而不是其正常的代謝產物。
目前，這一領域的許多科學家仍然依靠臨時性的、試錯性的實驗來確定哪些基因的修改會帶來改進。此外，大多數用於生產非本地化合物的生物製造過程的微生物–意味着製造這種化合物的基因已經被插入到宿主的基因組中–只能在微生物達到一定的生長階段后產生大量的目標化合物，導致在孵化微生物時浪費能源的緩慢過程。
該團隊的簡化代謝重塑過程被稱為“產品/基質配對”，它使微生物的整個代謝在任何時候都與製造該化合物相關。
為了測試“產品/基質配對”，該團隊用一種有前景的新興宿主–一種叫做Pseudomonas putida的土壤微生物–進行了實驗，這種微生物被設計為攜帶製造indigoidine的基因，一種藍色的色素。科學家們評估了63種潛在的重新布線策略，並使用一種工作流程，系統地評估了理想宿主特徵的可能結果，確定其中只有一種是實驗上現實的。然後，他們按照計算預測的指導，進行了CRISPR干擾，以阻斷14個基因的表達。
“我們很興奮地看到，在我們同時針對如此多的基因之後，我們的菌株產生了極高的indigoidine產量，”共同牽頭人Deepanwita Banerjee說，他是由伯克利實驗室管理的聯合生物能源研究所（JBEI）的博士后研究員。”目前代謝重構的標準是一次費力地針對一個基因，而不是一次針對許多基因，”她說，並指出在這篇論文之前，在代謝工程方面只有一項研究，其中作者針對六個基因進行敲除。“我們通過使用強大的基於CRISPRi的方法，大幅提高了同時修飾的上限。”Banerjee說：“這現在打開了考慮計算優化方法的領域，即使它們需要大量的基因修改，因為它們可以真正導致變革性的產出。”
共同主要作者、JBEI研究科學家Thomas Eng補充說：“通過產品/基質配對，我們相信我們可以用我們合理設計的工藝大大減少開發商業規模生物製造工藝的時間。想想在開發青蒿素（一種抗瘧葯）或1-3,丁二醇（一種用於製造塑料的化學品）方面所花費的大量研究年限和人員時間是令人生畏的–從實驗室筆記本到試驗工廠大約需要5到10年。”他說：“大幅減少研發時間尺度是我們需要的，以使未來的生物經濟成為現實。”
伯克利實驗室正在研究的目標化合物的例子包括異戊烯醇，一種有前景的生物燃料；阻燃材料的成分；以及工業中使用的石油衍生的啟動分子的替代品，如尼龍前體。許多其他小組利用生物製造技術來生產先進的藥物。
首席研究員Aindrila Mukhopadhyay解釋說，該團隊的成功來自於其多學科的方法。Mukhopadhyay說：“這項工作不僅需要嚴格的計算建模和最先進的遺傳學，我們還依靠我們在先進生物燃料和生物產品工藝開發部（ABPDU）的合作者來證明我們的工藝可以在更高的生產規模下保持其理想的特性，”她是生物燃料和生物產品部門的副總裁和JBEI的主機工程組的主任。“我們還與能源部（DOE）聯合基因組研究所合作，對我們的菌株進行了定性。毫不奇怪，我們預計未來會有許多這樣的合作，以研究我們獲得的改進的經濟價值，並深入研究這種急劇的代謝重構的特徵。”