Microbial Biotechnology

Trong hơn 40 năm qua, các sản phẩm tự nhiên đã đóng vai trò quan trọng trong việc chống lại ung thư. Các nguồn chính của những hợp chất thành công này là vi khuẩn và thực vật từ môi trường terrestial và biển. Vi khuẩn là nguồn chính cung cấp các sản phẩm tự nhiên có hoạt tính chống khối u. Nhiều sản phẩm này đã được phát hiện đầu tiên như là kháng sinh. Một đóng góp lớn khác đến từ các alcaloid thực vật, taxoid và podophyllotoxins. Một loạt các chuyển hóa sinh học có thể thu được từ thế giới biển, có thể được sử dụng cho việc điều trị ung thư hiệu quả. Việc tìm kiếm các thuốc mới vẫn là mục tiêu ưu tiên cho liệu pháp điều trị ung thư, do sự phát triển nhanh chóng của sự kháng thuốc đối với các thuốc hóa trị. Ngoài ra, độ độc cao thường liên quan đến một số thuốc hóa trị ung thư và các tác dụng phụ không mong muốn của chúng đã làm gia tăng nhu cầu về các thuốc chống khối u mới có hiệu quả đối với các khối u không thể điều trị, với ít tác dụng phụ hơn và/hoặc với hiệu quả điều trị cao hơn. Bài tổng quan này chỉ ra những công nghệ cần thiết để sản xuất các hợp chất chống khối u của tương lai.

Phần lớn sinh quyển của Trái Đất là lạnh (ví dụ: 90% nước biển có nhiệt độ ≤ 5°C), duy trì đa dạng sinh học phong phú của sự sống vi sinh vật. Các môi trường lạnh vĩnh viễn khác nhau từ đáy đại dương đến vùng núi cao và các khu vực cực. Khả năng chức năng của các vi sinh vật sống trong sinh quyển lạnh cũng đa dạng tương xứng với quy mô và sự đa dạng của các hệ sinh thái chứa đựng sự sống ưa lạnh. Kết quả là, các vi sinh vật bản địa ưa lạnh cung cấp một nguồn tài nguyên enzyme tự nhiên khổng lồ hoạt động hiệu quả trong điều kiện lạnh, và các enzyme thích nghi với lạnh này đã được nhắm đến vì tiềm năng sinh học của chúng. Trong bài đánh giá này, chúng tôi mô tả các đặc điểm chính của enzyme từ vi sinh vật ưa lạnh và mô tả một số ứng dụng sinh học đã biết của chúng cũng như các cách có thể tăng giá trị của chúng cho công nghệ sinh học. Bài đánh giá cũng đề cập đến việc sử dụng metagenomics để sàng lọc enzyme, phát triển hệ thống biểu hiện gen của vi sinh vật ưa lạnh và việc sử dụng enzyme cho việc làm sạch.

Cố định nitrogen sinh học trong rhizobia chủ yếu diễn ra ở các nốt rễ hoặc nốt thân và được kích thích bởi các vi khuẩn có mặt trong cây họ đậu. Quá trình cộng sinh này đã làm say mê các nhà nghiên cứu trong hơn một thế kỷ, và những tác động tích cực của cây họ đậu đối với đất đai cũng như giá trị thực phẩm và thức ăn của chúng đã được công nhận từ hàng nghìn năm. Quá trình cố định nitrogen cộng sinh sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển đổi khí N₂ trơ thành amoniac ở nhiệt độ và áp suất bình thường, do đó, ngày nay, việc này đặc biệt quan trọng cho sản xuất lương thực bền vững. Tăng cường năng suất thông qua cải thiện hiệu quả của quá trình này được coi là một mục tiêu chính trong nghiên cứu và phát triển. Sự tương tác giữa rhizobia và cây chủ họ đậu của chúng đã được phân tích ở cấp độ nông nghiệp, sinh lý thực vật, vi sinh vật học và phân tử để tạo ra nhiều thông tin về các quy trình liên quan, nhưng việc xác định các nút thắt chính về hiệu quả của quá trình cố định nitrogen đã chứng minh là rất phức tạp. Chúng tôi xem xét các quy trình và kết quả đã góp phần vào sự hiểu biết hiện tại về hệ thống thú vị này, tập trung vào hiệu quả của quá trình cố định nitrogen trong rhizobia.

Các chiến lược để kích thích sự phân tán của biofilm đang được quan tâm do tiềm năng của chúng trong việc ngăn chặn sự hình thành của biofilm và các nhiễm trùng liên quan đến biofilm. Oxit nitric (NO), một phân tử truyền tin quan trọng trong các hệ thống sinh học, đã được xác định trước đây là tín hiệu cho sự phân tán trong biofilm của sinh vật mẫu Pseudomonas aeruginosa. Trong nghiên cứu hiện tại, việc sử dụng NO như một tác nhân chống biofilm đã được đánh giá một cách rộng rãi hơn. Các loại cho NO khác nhau, với nồng độ được ước tính để tạo ra mức NO trong khoảng picomolar và nanomolar thấp, đã được thử nghiệm trên biofilm của các sinh vật vi sinh đơn loài có liên quan và trên các biofilm đa loài từ các hệ thống phân phối và xử lý nước. Sự phân tán do oxit nitric gây ra đã được quan sát thấy trong tất cả các biofilm được đánh giá, và mức giảm trung bình của tổng bề mặt biofilm là 63%. Hơn nữa, các biofilm tiếp xúc với liều thấp NO có độ nhạy cao hơn với các phương pháp điều trị kháng khuẩn so với các biofilm không được điều trị. Ví dụ, hiệu quả của các phương pháp điều trị clo thông thường trong việc loại bỏ biofilm đa loài từ các hệ thống nước đã tăng gấp 20 lần trong các biofilm được điều trị bằng NO so với các biofilm không được điều trị. Dữ liệu này cho thấy rằng các phương pháp điều trị kết hợp với NO có thể cho phép các chiến lược mới và cải tiến để kiểm soát biofilm và có thể được áp dụng rộng rãi trong nhiều môi trường, công nghiệp và lâm sàng.

Alginate là một polysaccharide quan trọng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dệt may, in ấn và dược phẩm do tính chất tăng độ nhớt và đông g Gel của nó. Tất cả các alginate được sản xuất thương mại đều được tách ra từ tảo nâu nuôi trồng. Những alginate tảo này gặp phải sự không đồng nhất về thành phần và tính chất vật liệu. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ thảo luận về các alginate được sản xuất bởi vi khuẩn; các cơ chế phân tử liên quan đến quá trình sinh tổng hợp của chúng; và tiềm năng ứng dụng những alginate này, được sản xuất hoặc sửa đổi bởi vi khuẩn, vào các ứng dụng có giá trị cao, nơi mà các tính chất vật liệu xác định là cần thiết.

Trong vài năm qua, chúng ta đã chứng kiến sự gia tăng chưa từng có trong số lượng các loài vi khuẩn mới có tiềm năng được sử dụng cho kỹ thuật chuyển hóa. Tuy nhiên, trong lịch sử, chỉ có một số ít loại vi khuẩn đạt được sự chấp nhận và sử dụng rộng rãi cần thiết để đáp ứng nhu cầu của sản xuất sinh học công nghiệp – và chỉ cho việc tổng hợp rất ít hợp chất, có cấu trúc đơn giản. Một trong những lý do cho tình huống không may này là sự thiếu hụt công cụ cho việc kỹ thuật gen có mục tiêu cho các chassis vi khuẩn, và ngày nay, sinh học tổng hợp đang giúp giảm bớt khoảng cách kiến thức đó. Trong bối cảnh này, trong bài đánh giá này, chúng tôi thảo luận về tình trạng hiện tại trong thiết kế hợp lý và xây dựng các chassis vi khuẩn chắc chắn cho kỹ thuật chuyển hóa, trình bày những ví dụ quan trọng về các loài vi khuẩn đã chiếm được vị trí trong sản xuất sinh học công nghiệp. Sự xuất hiện của các chassis vi khuẩn mới cũng được xem xét dưới ánh sáng những đặc tính độc đáo của sinh lý và chuyển hóa của chúng, cũng như các ứng dụng thực tiễn mà chúng được kỳ vọng sẽ vượt trội hơn so với các nền tảng vi sinh khác. Những cơ hội mới nổi, chiến lược thiết yếu để phát triển thành công các kiểu hình công nghiệp, và những thách thức lớn trong lĩnh vực phát triển chassis vi khuẩn cũng được thảo luận, phác thảo các giải pháp mà kỹ thuật chuyển hóa do sinh học tổng hợp hướng dẫn cung cấp để giải quyết những vấn đề này.

Sản xuất nhiên liệu sinh học lỏng để pha trộn với xăng dầu là một vấn đề quan trọng toàn cầu nhằm đảm bảo nguồn cung năng lượng, đồng thời giảm thiểu việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, hỗ trợ phát triển công nghệ nông thôn với các công việc dựa trên kiến thức và giảm thiểu khí thải nhà kính. Hiện nay, việc thiết kế cho xây dựng nhà máy đã trở nên dễ tiếp cận và các quy trình mới sử dụng chất thải nông nghiệp và rác thải sinh hoạt đã đạt được mức độ trưởng thành tốt và tỷ lệ chuyển đổi cao (gần 90% polysaccharide được chuyển đổi thành monosaccharide sẵn sàng cho quá trình lên men). Để công nghệ 2G thành công hoàn toàn, vẫn cần khắc phục một số hạn chế ngăn cản việc vận hành nhà máy lần đầu tiên với công suất danh nghĩa. Chúng tôi cũng cho rằng sự thành công của công nghệ 2G yêu cầu phát triển logistics thuận lợi để đảm bảo cung cấp sinh khối và khiến tất cả các bên liên quan (nông dân, nhà đầu tư, doanh nhân công nghiệp, chính phủ, và những người khác) nhận thức rằng sự thành công phụ thuộc vào sự tiến bộ trong thỏa thuận. Sự tăng trưởng sản xuất ethanol cho năm 2020 dường như đã được đảm bảo với một số nhà máy 2G, nhưng các khoản đầu tư công/tư vẫn cần thiết để cho phép công nghệ 2G tiến lên từ giai đoạn rất sơ khởi sang công nghệ trưởng thành hơn và đã được củng cố.

Các vi sinh vật đã tiếp xúc với vô số nền tảng và điều kiện môi trường trong suốt quá trình tiến hóa, dẫn đến hàng triệu chất chuyển hóa và hoạt động enzym. Mặc dù con người đã sử dụng những đặc tính này trong nhiều thế kỷ, chúng ta chỉ mới gần đây học được cách kiểm soát sản xuất của chúng, phát triển các chất xúc tác sinh học mới với độ ổn định và năng suất cao, cũng như cải thiện hiệu suất của chúng dưới các điều kiện vận hành mới. Tuy nhiên, tế bào vi sinh vật vẫn cung cấp môi trường tốt nhất đã biết cho các enzym, ngăn ngừa những thay đổi cấu hình trong cấu trúc protein trong các môi trường phi truyền thống và trong các điều kiện phản ứng khắc nghiệt, đồng thời có khả năng tái tạo hiệu quả các cofactor cần thiết và thực hiện các chuỗi phản ứng. Hơn nữa, có thể vẫn có một loại vi sinh vật chưa được biết đến đang sản xuất một hợp chất có khả năng chữa trị ung thư, bệnh Alzheimer hoặc tiêu diệt các tác nhân gây bệnh kháng thuốc nhất. Trong bài đánh giá này, các phát triển mới nhất trong việc sàng lọc các hoạt động mong muốn và cải thiện sản lượng sản xuất sẽ được thảo luận.

Các báo cáo gần đây đã chỉ ra rằng việc thiết lập các tập hợp enzyme có liên quan đến công nghiệp từ bộ gen môi trường đã trở thành một quy trình thường quy. Qua các nghiên cứu được đánh giá, trung bình khoảng 44 clone hoạt động đã được thu thập từ khoảng 53,000 clone được thử nghiệm bằng các phương pháp sàng lọc ngây thơ. Số này có thể tăng đáng kể trong thời gian ngắn hơn khi các trình tự enzyme metagenome mới được thu thập bằng phương pháp giải trình tự trực tiếp được chọn và đưa vào biểu hiện quy mô lớn để sản xuất và phân loại tiếp theo. Việc tiền sàng lọc các thư viện clone bằng các phương pháp sàng lọc ngây thơ sau đó là pyrosequencing các đoạn chèn đã cho phép tăng gấp 106 lần tỷ lệ thành công trong việc xác định các gen mã hóa enzyme mà chúng tôi quan tâm. Tuy nhiên, thời gian cần thiết cho việc xác định enzyme cho đến khi thiết lập một quy trình công nghiệp thường mất thời gian rất dài, thường là năm. Nếu tần suất phát hiện enzyme hoạt động với tỷ lệ lưu thông cao trong điều kiện ứng dụng thực tế có thể được tăng cường trong khi vẫn đảm bảo sự đa dạng tự nhiên cao, thì giai đoạn tối ưu hóa enzyme vốn rất tốn kém và mất thời gian có khả năng sẽ được rút ngắn đáng kể. Tại thời điểm này, điều quan trọng là xem xét những hiểu biết hiện tại về sự thành công của các phương pháp sàng lọc ngây thơ và dựa trên trình tự tinh chỉnh cho việc chọn enzyme và mô tả các môi trường trên toàn thế giới đã được đưa vào các chương trình sàng lọc enzyme thông qua các công cụ metagenomics. Tại đây, chúng tôi đưa ra những đánh giá như vậy và đề xuất những thách thức hiện tại cùng với các hành động cần thiết trong tương lai trước khi các enzyme môi trường có thể được giới thiệu thành công ra thị trường.