به کارگیری روش سامانه گرای طراحی محیط کشت برای بهبود تولید زیست‌اتانول توسط سیانوباکتر سینکوسیستیس

استفاده از ابزارهای مهندسی ژنتیک برای تولید سویه صنعتی خصوصا از میکروارگانیسم‌های کمتر شناخته شده همچون سیانوباکترها همواره با محدودیت‌هایی مواجه است. در این تحقیق، از یک روش سیستمی به کمک دانش بین رشته‌ای زیست‌شناسی سامانه‌ها برای طراحی محیط کشت بجای طراحی سویه استفاده شد و توانمندی آن در افزایش تولید اتانول توسط سیانوباکتر سینکوسیستیس sp. pcc 6803 مورد ارزیابی آزمایشگاهی قرار گرفت. در این روش، مواد با هدف تنظیم فعالیت آنزیم‌های هدف نه با هدف مصرف توسط سلول به محیط کشت افزوده می‌شوند و بنابراین محیط کشت طراحی شده، محدودیت‌های درون سلولی برای تولید محصول زیستی را برطرف می‌کند. یک مدل متابولیکی برای تعیین حداقل میزان ترشح اتانول و شناسایی ژن‌هایی که کاهش یا افزایش بیان آنها این حداقل میزان را افزایش می‌دهند، بکار رفت. سپس، تنظیم کننده‌های آنزیم‌های بیان شده توسط ژن‌های هدف از پایگاه داده brenda استخراج شد و اثر آنها بر تولید به طور تجربی ارزیابی شد و طراحی آزمایش برای بهینه‌سازی غلظت ترکیبات انتخاب شده انجام شد. در میان ترکیبات شناسایی شده، دو مهار کننده (اسید سالیسیک و کلرید جیوه) و یک فعال کننده (پیروات) برای افزودن به محیط انتخاب شدند و غلظت آنها با استفاده از روش طرح مرکب مرکزی بهینه‌سازی شد. محیط کشت تنظیمی پیشنهادی تولید اتانول توسط سینکوسیستیس را از 352 به 1116 میلی‌گرم بر لیتر افزایش داد که نشان دهنده اثربخشی ترکیبات تنظیمی اضافه شده بر متابولیسم است. روش سیستمی پیشنهاد شده می‌تواند در طراحی محیط کشت دیگر محصولات مهم صنعت زیست‌فناوری کشور همچون پروتئین‌های نوترکیب کاربرد داشته باشد.

Applying a system-oriented method for culture medium design to improve bio-ethanol production by synechocystis

The use of genetic engineering tools to produce industrial strains, especially from nonmodel microorganisms such as cyanobacteria, is always subject to limitations. In this research, a systemoriented method was used to design a culture medium instead of strain designing and its ability to increase ethanol production by Synechocystis sp. PCC 6803 was experimentally evaluated. In this method, compounds are added to the medium to regulate the activity of target enzymes not for the purpose of being consumed by the cells, and thus, the designed culture medium eliminates the intracellular constraints on the production. A metabolic model was used to determine the minimum level of ethanol production and to identify genes that increase or decrease of their expression increase this minimum level. Then, regulators of the enzyme expressed by the target genes were extracted from the Brenda database and their effect on the production was evaluated experimentally and design of experiment was performed to optimize the concentration of the selected compounds. Among the compounds identified, two inhibitors (salicylic acid and mercuric chloride) and one activator (pyruvate) were selected to be added to the medium and their concentration was optimized using the central composite design method. The proposed regulatory medium increased the production of ethanol from 352 to 1116 mg/l, indicating the effectiveness of the added regulatory compounds on the cyanobacteria metabolism. The proposed systemoriented method can be used to design medium culture for other important bioproducts such as recombinant proteins.