DOI: https://doi.org/10.1186/s12934-024-02370-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38555441
تاريخ النشر: 2024-03-30
المؤلف: Sofie Snoeck وآخرون
الموضوع الرئيسي: هندسة التمثيل الغذائي الميكروبي والإنتاج الحيوي
نظرة عامة
تتناول هذه المراجعة الأدبية آثار الهندسة الأيضية في الإشريكية القولونية، وخاصة كيف تؤثر على استجابات الإجهاد الخلوي. بينما تقدمت الهندسة الوراثية لسلالات البكتيريا لإنتاج منتجات محددة في التكنولوجيا الحيوية الصناعية، فإنها غالبًا ما تؤدي إلى أعراض إجهاد مثل انخفاض معدلات النمو، وضعف تخليق البروتين، وعدم الاستقرار الجيني، وأحجام الخلايا غير الطبيعية. يمكن أن تجعل هذه القضايا العمليات الصناعية غير قابلة للتطبيق اقتصاديًا، ومع ذلك تظل المحفزات والآليات الأساسية لهذه الاستجابات الإجهادية غير مفهومة جيدًا.
تهدف المراجعة إلى سد هذه الفجوة المعرفية من خلال دراسة العلاقة بين استراتيجيات الهندسة الأيضية والأعراض الناتجة عن الإجهاد في الإشريكية القولونية. تسلط الضوء على التعقيد والترابط بين آليات الإجهاد المختلفة التي يتم تنشيطها خلال (زيادة) التعبير عن البروتينات غير الذاتية. تؤكد النتائج على الحاجة إلى اعتبار دقيق عند تنفيذ استراتيجيات الهندسة، حيث يمكن أن تؤدي الطبيعة المنظمة بدقة لعملية الأيض الخلوي إلى عواقب غير مقصودة. هذا الفهم ضروري لتحسين العمليات الصناعية التي تشمل الكائنات الحية الدقيقة المهندسة.
مقدمة
تتناول مقدمة الورقة التحديات العالمية الملحة مثل تغير المناخ، وفقدان التنوع البيولوجي، واستنفاد الوقود الأحفوري، وإدارة النفايات، مما يبرز الحاجة الملحة للانتقال إلى اقتصاد قائم على البيولوجيا. يستفيد هذا الانتقال من الموارد المتجددة للمنتجات القائمة على البيولوجيا والطاقة الحيوية، حيث تلعب التكنولوجيا الحيوية الصناعية دورًا حاسمًا في معالجة هذه القضايا. لقد سهل ظهور أدوات البيولوجيا التركيبية الهندسة الأيضية، مما يسمح بتحسين سلالات الميكروبات لتعزيز عمليات الإنتاج. ومع ذلك، فإن تعقيد الأيض في المضيف يطرح تحديات في تحقيق العوائد المطلوبة للمنتجات دون تعطيل التوازن الأيضي.
تركز المراجعة على مفهوم “عبء الأيض”، الذي يشير إلى استجابات الإجهاد التي تثيرها (زيادة) التعبير عن البروتينات غير الذاتية، وخاصة البروتينات الغشائية، في الإشريكية القولونية. تهدف إلى توضيح الروابط بين استراتيجيات الهندسة الأيضية والأعراض الناتجة عن الإجهاد، مثل انخفاض معدلات النمو وضعف تخليق البروتين. من خلال استكشاف الترابط الجوهري لآليات الإجهاد وتجلياتها، تسعى المراجعة إلى تقديم فهم شامل لعبء الأيض. هذا الفهم ضروري لتحسين نهج الهندسة الأيضية وتعزيز تطبيقات التكنولوجيا الحيوية الصناعية مع الحفاظ على صلاحية الخلايا. ستقترح المراجعة أيضًا طرقًا محتملة لمزيد من البحث لتحديد الاختناقات المحددة في الكائنات الحية المضيفة المختلفة.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في الورقة البحثية عواقب (زيادة) التعبير عن البروتينات غير الذاتية في الأنظمة الميكروبية، مع التركيز بشكل خاص على التأثير على مستويات الأحماض الأمينية وtRNA المشحونة، والتي يمكن أن تحفز استجابات إجهاد مختلفة. يمكن أن يؤدي التعبير عن البروتينات غير الأصلية إلى استنفاد مجموعة الخلايا من الأحماض الأمينية، مما يؤدي إلى بطء معدلات الترجمة، خاصة بالنسبة للأكواد النادرة التي تفتقر إلى tRNAs المتوافقة الكافية. يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة أوقات الانتظار للريبوسومات، وأخطاء في الترجمة، وفي النهاية، إنتاج بروتينات مشوهة. تؤكد الورقة على أن تحسين الأكواد، بينما يهدف إلى تعزيز التعبير، قد يزيل عن غير قصد مناطق الأكواد النادرة الضرورية لطي البروتين بشكل صحيح، مما يزيد من مشكلة التشوه.
يتم تسليط الضوء على تنشيط الاستجابة الصارمة كآلية رئيسية يتم تحفيزها بواسطة نقص الأحماض الأمينية وtRNA المشحونة، والتي تتوسطها الألرمونات الجوانوزين رباعي وخماسي الفوسفات (ppGpp). تنظم هذه الاستجابة أكثر من ألف جين، مما يؤثر على تخليق الأحماض الأمينية ويقلل من تخليق rRNA، مما يؤثر على النمو والوظيفة الخلوية بشكل عام. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة استجابة نقص المغذيات واستجابة الصدمة الحرارية، مع الإشارة إلى أن تراكم البروتينات المشوهة يزيد من العبء على الشابيرات والبروتيازات، مما يؤدي إلى سلسلة من التأثيرات التنظيمية التي تضر بمزيد من سلامة الخلايا ووظيفتها. تختتم القسم بربط هذه الاستجابات الإجهادية بالأعراض الشائعة التي لوحظت في الهندسة الأيضية، مثل انخفاض معدلات النمو وضعف تخليق البروتين.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12934-024-02370-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38555441
Publication Date: 2024-03-30
Author(s): Sofie Snoeck et al.
Primary Topic: Microbial Metabolic Engineering and Bioproduction
Overview
This literature review focuses on the implications of metabolic engineering in Escherichia coli, particularly how it affects cellular stress responses. While engineering bacterial strains for specific product production has advanced industrial biotechnology, it often leads to stress symptoms such as reduced growth rates, impaired protein synthesis, genetic instability, and abnormal cell sizes. These issues can render industrial processes economically unviable, yet the underlying triggers and mechanisms of these stress responses remain poorly understood.
The review aims to bridge this knowledge gap by examining the relationship between metabolic engineering strategies and the resultant stress symptoms in E. coli. It highlights the complexity and interconnectivity of various stress mechanisms activated during the (over)expression of heterologous proteins. The findings emphasize the need for careful consideration when implementing engineering strategies, as the tightly regulated nature of cellular metabolism can lead to unintended consequences. This understanding is crucial for optimizing industrial processes involving engineered microorganisms.
Introduction
The introduction of the paper addresses the pressing global challenges of climate change, biodiversity loss, fossil fuel depletion, and waste management, highlighting the urgent need for a transition to a bio-based economy. This transition leverages renewable resources for bio-based products and bioenergy, with industrial biotechnology playing a crucial role in addressing these issues. The emergence of synthetic biology tools has facilitated metabolic engineering, allowing for the optimization of microbial strains to enhance production processes. However, the complexity of host metabolism poses challenges in achieving desired product yields without disrupting metabolic balance.
The review focuses on the concept of “metabolic burden,” which refers to the stress responses elicited by the (over)expression of heterologous proteins, particularly membrane proteins, in Escherichia coli. It aims to elucidate the connections between metabolic engineering strategies and the resulting stress symptoms, such as decreased growth rates and impaired protein synthesis. By exploring the intrinsic interconnectivity of stress mechanisms and their manifestations, the review seeks to provide a comprehensive understanding of metabolic burden. This understanding is essential for optimizing metabolic engineering approaches and enhancing industrial biotechnology applications while maintaining cell viability. The review will also suggest potential avenues for further research to identify specific bottlenecks in different host organisms.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the consequences of (over)expressing heterologous proteins in microbial systems, particularly focusing on the impact on amino acid and charged tRNA levels, which can trigger various stress responses. The expression of non-native proteins can deplete the cellular pool of amino acids, leading to slower translation rates, especially for rare codons that lack sufficient cognate tRNAs. This can result in increased waiting times for ribosomes, translation errors, and ultimately, the production of misfolded proteins. The paper emphasizes that codon optimization, while aimed at enhancing expression, may inadvertently remove rare codon regions crucial for proper protein folding, exacerbating the issue of misfolding.
The activation of the stringent response is highlighted as a key mechanism triggered by amino acid and charged tRNA starvation, mediated by the alarmones guanosine tetra- and pentaphosphate (ppGpp). This response regulates over a thousand genes, impacting amino acid biosynthesis and downregulating rRNA synthesis, thereby affecting overall cellular growth and function. Additionally, the nutrient starvation response and heat shock response are discussed, noting that the accumulation of misfolded proteins increases the burden on chaperones and proteases, leading to a cascade of regulatory effects that further compromise cellular integrity and function. The section concludes by linking these stress responses to common symptoms observed in metabolic engineering, such as decreased growth rates and impaired protein synthesis.