بهینه سازی سویه های صنعتی با رویکرد مهندسی تکاملی و کریسپر، فرصت ها و چالش ها

توسعه سویه‌های میکروبی فرآیندی چالش برانگیز و پیچیده است که عمدتاً به دلیل پیچیدگی‌های درگیر در درک مسیرهای متابولیک، تنظیم‌کننده‌های ژنی و سیستم‌های ارتباط بین سلولی است. مهندسی ژنتیک و بهینه‌سازی متابولیک برای توسعه سویه‌های صنعتی، که از طریق فرآیندهای تخمیر و بازیابی سلولی به دست می‌آیند، حیاتی هستند. زمان، هزینه و تولید مداوم موانع قابل توجهی را در هنگام به کارگیری میکروارگانیسم ها در صنایع مختلف ایجاد می کند. با این حال، این چالش ها را می توان به طور موثر با استفاده از پایگاه های داده بیولوژیکی، زیست شناسی مصنوعی و مهندسی تکاملی برای تقویت توسعه سویه های صنعتی و ارزیابی عملکرد سلول در فرآیندهای صنعتی مورد توجه قرار داد. در تحقیق حاضر، از یک رویکرد مهندسی تکاملی برای تقویت صفت پیچیده تحمل اتانول در مخمر ساکارومایسس سرویزیه استفاده شد. قبل از تکامل تطبیقی آزمایشگاهی، جهش‌زایی انجام شد که منجر به بهبود تحمل اتانول در جدایه‌های به‌دست‌آمده شد. در طول یک آزمایش تکامل تطبیقی 144 روزه، نرخ رشد خاص مخمر به عنوان معیاری برای انتخاب جدایه‌های برتر، تحت تنش اتانول و 1-بوتانول مورد استفاده قرار گرفت. برای بررسی تغییرات پلی مورفیسم تک نوکلئوتیدی (snp)، از سویه آزمایشگاهی cen pk 113-7d استفاده شد. پس از تایید افزایش نرخ رشد ویژه و تولید اتانول، ژنوم جدایه های انتخاب شده استخراج شد. متعاقبا، کل ژنوم سویه های تکامل یافته توالی یابی شد و مقایسه ای با سویه والد انجام شد و تغییرات پلی مورفیسم تک نوکلئوتیدی در ژن های مرتبط با این صفت را آشکار کرد. بررسی اثر بهبود نرخ ویژه رشد در تنش در طی آزمون تکامل تطبیقی باعث افزایش میزان تولید اتانل جدایه­های منتخب شد. دو جدایه f128 و f121 به ترتیب با تولید 52/114 و 195/114 گرم برلیتر اتانل نسبت به سویه والدی با تولید 56/90 گرم بر لیتر به عنوان جدایه های برتر برای بررسی در زیست واکنشگاه انتخاب شدند. نتایج در زیست واکنشگاه نشان داد که تولید اتانل این دوجدایه نسبت به سویه والدی بهبود یافته است.

optimization of industrial strains with evolutionary engineering and crispr approach: opportunities and challenges

the development of microbial strains is a challenging and complex process, mainly due to the complexities involved in understanding metabolic pathways, gene regulators, and intercellular communication systems. genetic engineering and metabolic optimization are critical for the development of industrial strains, which are obtained through fermentation and cell recovery processes. time, cost, and continuous production pose significant barriers when applying microorganisms in various industries. however, these challenges can be effectively addressed by using biological databases, synthetic biology and evolutionary engineering to enhance the development of industrial strains and evaluate cell performance in industrial processes. in the present research, an evolutionary engineering approach was employed to enhance the complex trait of ethanol tolerance in the yeast saccharomyces cerevisiae. prior to laboratory adaptive evolution, mutagenesis was conducted, resulting in improved ethanol tolerance in the obtained isolates. throughout a 144-day adaptive evolution experiment, yeast s specific growth rate was utilized as a criterion for selecting superior isolates, under both ethanol and 1-butanol stress. for the investigation of single nucleotide polymorphism (snp) changes, the laboratory strain cen pk 113-7d was utilized. after confirming the enhancement in both specific growth rate and ethanol production, the genome of the selected isolates was extracted. subsequently, the whole genome of the evolved strains was sequenced, and a comparison was made with the parent strain, revealing the single nucleotide polymorphism changes in the genes associated with this trait. increased tolerance to 1-butanol stress led to increased tolerance to ethanol. investigating the effect of increasing the specific growth rate under stress during the adaptive evolution experiment showed that the ethanol production rate of the selected isolates has increased. two isolates named f128 and f121 were identified as the superior isolates for further investigation in the bioreactor, which increased the ethanol production rate of the parental strain from 90.56 g/l to 114.52 and 114.195 g/l, respectively. the findings from sequencing the entire genome of the evolved strains and comparing it to the parent strain revealed the alterations in single nucleotide polymorphisms (snps) of the genes associated with this particular trait. these modifications were observed in genes linked to intracellular substance transport, as well as the pathways involved in the composition and structure of the cytoplasmic membrane, cell wall structure, sugar metabolism, and lipid metabolism. the reverse engineering analysis of the snps demonstrated a unique and singular enhancement of ethanol tolerance in the parental strain.