Bild på Tyler Doughty och Iván Iván Domenzain Del Castillo Cerecer
Tyler Doughty och Iván Domenzain Del Castillo Cerecer, två av forskarna bakom studien som nyligen publicerades i Nature Communications

​​​​​​

Unga gener kan vara nyckeln till effektivare cellfabriker

Cellfabriker används för industriell produktion av olika biomolekyler. För kostnadseffektiva processer krävs att man utvecklar robusta organismer med hög effektivitet. Forskare vid Chalmers har upptäckt att nyckeln till framtidens cellfabriker kan vara de evolutionärt sett unga gener som uttrycks i jästceller vid stress. 

Cellfabriker, till exempel olika jästarter, kan användas industriellt för att producera bioetanol, läkemedel eller kemikalier. De växer snabbt i billiga substrat och kan modifieras genetiskt för speciella ändamål. Därför är cellfabriker kostnadseffektiva jämfört med andra processer. Men produktionen kräver robusta mikroorganismer med hög överlevnadsgrad och hög produktionshastighet. 

Stressmekanismer möjliggör organimernas anpassning

För att fungera optimalt behöver cellfabrikerna tåla de förhållanden som den industriella produktionen innebär, till exempel variation i temperatur och bildandet av toxiska biprodukter. 

− De mekanismer som har utvecklats som svar på stress gör det möjligt för organismerna att anpassa sig till nya ekologiska nischer. Men vissa av dessa stressförhållanden kan också finnas vid industriella processer, till exempel höga salthalter eller lågt pH i tillväxtmedierna och/eller förhöjda processtemperaturer, säger Iván Domenzain Del Castillo Cerecer, doktorand på institutionen för biologi och bioteknik på Chalmers, och en av författarna till studien.

Tre jästarters genuttryck har analyserats​

Genom att skaffa kunskap om mikroorganismernas stresstolerans på molekylär nivå får forskarna de verktyg som krävs för att designa nya stammar med egenskaper som behövs för industriell användning. Därför har forskargruppen från institutionen för biologi och bioteknik analyserat genuttryck hos tre jästarter: Saccharomyces cerevisiae, den klassiska arbetshästen för industriell etanolproduktion; Kluyveromyces marxianus, känd för sin förmåga att växa snabbt även vid höga temperaturer; och Yarrowia lipolytica, vars förmåga att ackumulera lipider gör den intressant för produktion av biobränslen. 

Organismerna utsattes för en mängd olika stressfaktorer för att identifiera allmänna mekanismer, eller trender på systemnivå, för stressreaktioner hos de tre arterna.

− Vår studie visar att de mest relevanta mekanismerna bakom stresstolerans drivs av gener som är evolutionärt sett unga − med okända molekylära funktioner, säger Tyler Doughty, före detta postdoc på institutionen för biologi och bioteknik. 

"Gener som uttrycks vid stress ofta unga gener"​

Jästcellerna odlades i bioreaktorer med samma experimentella uppställning för alla de tre arterna, avseende flödeshastighet, glukoskoncentration och syresättning. Samtliga arter exponerades för tre olika stressfaktorer: ökad temperatur i odlingsmediet, ökad saltkoncentration och sänkt pH. Nivåerna för genuttryck under stressförhållanden jämfördes med nivåer vid referensförhållanden. 

− Genom att jämföra individuella gensekvenser kunde vi undersöka hur konserverade generna är i de tre jästarterna, och i ett dussintal andra svamparter. Detta gjorde det möjligt för oss att klassificera gener efter närvaro i genomet hos gemensamma förfäder eller som ”unga gener”, det vill säga som utvecklats specifikt i var och en av våra jästarter. Överraskande nog var de gener som uttrycktes vid stress oftare del av gruppen ”unga gener”, snarare än evolutionärt konserverade. Resultaten kan tolkas som att dessa jästarter har utvecklat sina egna molekylära mekanismer för att klara sig i nya ekologiska nischer, säger Iván Domenzain Del Castillo Cerecer.

"Ny inriktning när man vill förbättra stresstolerans"​

− Denna studie föreslår en ny inriktning när man vill förbättra stresstoleransen hos cellfabriker: manipulation av evolutionärt unga gener. Våra resultat visar att de generna är mindre och inte lika studerade som andra gener. De är dessutom mindre troliga att vara essentiella, det vill säga gener vars radering resulterar i celldöd, säger Tyler Doughty. 

Att studera olika organismers tolerans mot flera stressfaktorer − snarare än att fokusera på experimentella inställningar och specifika svar hos enskilda organismer −​ möjliggör förståelsen av allmänna evolutionära mekanismer. Manipulation av dessa kan vara fördelaktigt för ett bredare spektrum av industriella bioteknologiska processer.

Text: Susanne Nilsson Lindh

Foto: Privat


Läs artikeln i Nature Communications

Publicerad: ti 11 aug 2020.