DOI: https://doi.org/10.1186/s12934-024-02299-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38247006
تاريخ النشر: 2024-01-22
المؤلف: Meirong Zhao وآخرون
الموضوع الرئيسي: النباتات المعدلة وراثياً وتطبيقاتها
نظرة عامة
تتناول المراجعة إمكانيات *Saccharomyces cerevisiae* (S. cerevisiae) كمصدر للبروتينات الميكروبية، مع تسليط الضوء على مزاياها ككائن معترف به بشكل عام كآمن (GRAS) لإنتاج البروتينات غير المتجانسة. على الرغم من فوائدها البيولوجية، فإن إنتاج البروتينات من S. cerevisiae من النوع البري لا يزال أقل بكثير من التوقعات النظرية. يؤكد المؤلفون على أهمية تحسين التفاعل بين جينات البروتين غير المتجانس وهيكل الخميرة، ويستعرضون التقدمات الأخيرة في أنظمة فرط التعبير عن البروتينات، وهندسة الإفراز، وهندسة مسار الجليكوزيل، وهندسة الأنظمة الأيضية التي تهدف إلى تعزيز إنتاج البروتين.
كما يحدد البحث الاتجاهات المستقبلية لتحسين إنتاج البروتين من خلال تقنيات تحرير الجينات المبتكرة، وخاصة الأنظمة المعتمدة على CRISPR، التي تسهل الهندسة الجينية الفعالة وتجميع المسارات الأيضية. بالإضافة إلى ذلك، يُقترح دمج بيانات علم الأحياء النظامية عالية الإنتاجية وطرق التعلم العميق لفهم ونمذجة العمليات البيولوجية المعقدة المعنية في تخليق البروتين بشكل أفضل. تختتم المراجعة بالإشارة إلى إمكانية S. cerevisiae في استخدام مصادر غذائية متنوعة، بما في ذلك الركائز من الجيل الأول (1G) والجيل الثاني (2G) والجيل الثالث (3G)، والتي يمكن أن تساهم في إنتاج بروتينات فعالة من حيث التكلفة ومحايدة للكربون، مما يضع S. cerevisiae كهيكل بيولوجي واعد لتخليق البروتين المستدام.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية البروتينات الوظيفية في مختلف القطاعات، بما في ذلك الطب والغذاء والصناعة، مشيرة إلى أن البروتينات الطبية من المتوقع أن تصل إلى سوق عالمي يبلغ حوالي 400 مليار دولار بحلول عام 2025. يتم التأكيد على البروتينات الأحادية الخلوية الفطرية، وخاصة من *Saccharomyces cerevisiae*، كبدائل واعدة لمستحضرات اللحم وتطبيقات أخرى بسبب سلامتها، وقابليتها للتعديل الجيني، وملاءمتها للعمليات الصناعية. يناقش النص التقدمات في الهندسة الأيضية والذكاء الاصطناعي التي سهلت تصميم وإنتاج البروتينات غير المتجانسة في *S. cerevisiae*، بما في ذلك استخدام CRISPR/Cas9 لتحرير الجينوم ومشروع تخليق الجينوم *S. cerevisiae* الجاري الذي يهدف إلى إنشاء جينوم خميرة صناعي.
على الرغم من ظهور أنواع خميرة بديلة مثل *Pichia pastoris* و*Yarrowia lipolytica* و*Kluyveromyces lactis*، لا تزال *S. cerevisiae* هي المضيف السائد لإنتاج البروتينات المؤتلفة بسبب أدواتها الأيضية الراسخة وخلفيتها البحثية. يهدف المقال إلى تلخيص استراتيجيات الهندسة التي تعزز إنتاج البروتين في *S. cerevisiae* بشكل منهجي، مصنفة منتجات البروتين غير المتجانسة ومناقشة أساليب مختلفة، بما في ذلك أنظمة فرط التعبير، وهندسة إفراز البروتين، وتعديلات مسار الجليكوزيل، مع اقتراح استراتيجيات لإنتاج بروتينات عالية العائد بشكل مستدام.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على مزايا استخدام *Saccharomyces cerevisiae* لإنتاج البروتينات غير المتجانسة، مع التأكيد على سلامتها، وقدرتها على إجراء التعديلات ما بعد الترجمة (PTMs)، وقدرتها على التعبير عن البروتينات بمستويات عالية. تم استخدام *S. cerevisiae* بنجاح لإنتاج مجموعة متنوعة من البروتينات المؤتلفة، بما في ذلك الأجسام المضادة وحيدة النسيلة والإنزيمات الصناعية، مع بعض المنتجات التي تمت الموافقة عليها بالفعل من قبل الهيئات التنظيمية مثل FDA وEMEA. على الرغم من إمكانياتها، لا تزال التحديات مثل انخفاض عوائد البروتين وعمليات الإفراز غير الفعالة قائمة، مما يستلزم استراتيجيات هندسية لتعزيز إنتاج البروتين. تشمل هذه الاستراتيجيات أنظمة فرط التعبير، وتحسين الكودونات، وتنظيم النسخ، التي أظهرت وعدًا في زيادة العوائد وتحسين جودة البروتينات المنتجة.
تشمل الأساليب الهندسية الرئيسية التي تم مناقشتها تحسين الكودونات، الذي يعدل تسلسل الترميز ليتناسب مع استخدام الكودونات المحددة للمضيف، وزيادة أعداد نسخ الجينات من خلال أنظمة بلازميد مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، فإن تنظيم النسخ من خلال هندسة المحفزات والمحددات أمر حاسم لتحسين التعبير الجيني. لقد أظهرت استخدام المحفزات والمحددات الاصطناعية أنها تعزز بشكل كبير إنتاج البروتين. علاوة على ذلك، فإن هندسة إفراز البروتين، التي تتضمن تحسين المسار الإفرازي وتعزيز طي البروتين داخل الشبكة الإندوبلازمية (ER)، أمر ضروري لتحسين العوائد العامة. تُبرز تقنيات مثل استخدام الببتيدات الإشارية، والشركاء المتحدين، والتلاعب بعمليات نقل الحويصلات كطرق فعالة لتعزيز إفراز البروتينات غير المتجانسة في *S. cerevisiae*. بشكل عام، يضع دمج هذه الاستراتيجيات الهندسية *S. cerevisiae* كمنصة قوية لإنتاج البروتينات المؤتلفة في تطبيقات متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12934-024-02299-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38247006
Publication Date: 2024-01-22
Author(s): Meirong Zhao et al.
Primary Topic: Transgenic Plants and Applications
Overview
The review discusses the potential of *Saccharomyces cerevisiae* (S. cerevisiae) as a microbial protein source, highlighting its advantages as a generally recognized as safe (GRAS) organism for producing heterologous proteins. Despite its biological benefits, the yield of proteins from wild-type S. cerevisiae remains significantly lower than theoretical expectations. The authors emphasize the importance of optimizing the interaction between heterologous protein genes and the yeast chassis, and they summarize recent advancements in protein hyperexpression systems, secretion engineering, glycosylation pathway engineering, and systems metabolic engineering aimed at enhancing protein production.
The paper also outlines future directions for improving protein yields through innovative gene editing technologies, particularly CRISPR-based systems, which facilitate efficient genome engineering and metabolic pathway assembly. Additionally, the integration of high-throughput systems biology data and deep learning approaches is proposed to better understand and model the complex biological processes involved in protein synthesis. The review concludes by noting the potential of S. cerevisiae to utilize various feedstocks, including first-generation (1G), second-generation (2G), and third-generation (3G) substrates, which could contribute to cost-effective and carbon-neutral protein production, positioning S. cerevisiae as a promising biological chassis for sustainable protein synthesis.
Introduction
The introduction highlights the significance of functional proteins in various sectors, including medicine, food, and industry, noting that medicinal proteins are projected to reach a global market of approximately $400 billion by 2025. Fungal single-cell proteins, particularly from *Saccharomyces cerevisiae*, are emphasized as promising alternatives for meat substitutes and other applications due to their safety, genetic tractability, and adaptability to industrial processes. The text discusses advancements in metabolic engineering and artificial intelligence that have streamlined the design and production of heterologous proteins in *S. cerevisiae*, including the use of CRISPR/Cas9 for genome editing and the ongoing *S. cerevisiae* Genome Synthesis Project aimed at creating a synthetic yeast genome.
Despite the emergence of alternative yeast species such as *Pichia pastoris*, *Yarrowia lipolytica*, and *Kluyveromyces lactis*, *S. cerevisiae* remains the predominant host for recombinant protein production due to its well-established metabolic tools and research background. The article aims to systematically summarize engineering strategies that enhance protein production in *S. cerevisiae*, categorizing its heterologous protein products and discussing various approaches, including hyperexpression systems, protein secretion engineering, and glycosylation pathway modifications, while proposing strategies for sustainable high-yield protein production.
Discussion
The discussion highlights the advantages of using *Saccharomyces cerevisiae* for the production of heterologous proteins, emphasizing its safety, ability to perform post-translational modifications (PTMs), and capacity for high-level protein expression. *S. cerevisiae* has been successfully employed to produce various recombinant proteins, including monoclonal antibodies and industrial enzymes, with some products already approved by regulatory bodies like the FDA and EMEA. Despite its potential, challenges such as low protein yields and inefficient secretion processes persist, necessitating engineering strategies to enhance protein production. These strategies include hyperexpression systems, codon optimization, and transcriptional regulation, which have shown promise in increasing yields and improving the quality of produced proteins.
Key engineering approaches discussed include codon optimization, which adjusts the coding sequence to match host-specific codon usage, and increasing gene copy numbers through various plasmid systems. Additionally, transcriptional regulation via promoter and terminator engineering is crucial for optimizing gene expression. The use of synthetic promoters and terminators has been shown to significantly enhance protein production. Furthermore, protein secretion engineering, which involves optimizing the secretory pathway and enhancing protein folding within the endoplasmic reticulum (ER), is essential for improving overall yields. Techniques such as the use of signal peptides, fusion partners, and the manipulation of vesicle trafficking processes are highlighted as effective methods to boost the secretion of heterologous proteins in *S. cerevisiae*. Overall, the integration of these engineering strategies positions *S. cerevisiae* as a robust platform for the production of recombinant proteins in various applications.