Tasowanie genomowe u Clostridium butyricum w celu

Marta Hetman
Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu
Stypendystka projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Tasowanie genomowe u Clostridium butyricum w celu poprawy
wydajności produkcji 1,3-propanodiolu w stresowych warunkach
fermentacji
Konsekwencją rosnącego światowego zapotrzebowania na energię jest wyczerpywanie
się złóż paliw kopalnych oraz drastyczny wzrost ich cen. Nie bez znaczenia pozostaje
również wzrost zanieczyszczenia środowiska i globalne ocieplenie. Produkcja czystej,
odnawialnej energii stała się w związku z tym ważnym wyzwaniem dla biotechnologii
przemysłowej. Badania w tym zakresie dotyczą m.in. produkcji biodiesla. Produkcja tego
związku
polega
na
konwersji
olejów
roślinnych
i
tłuszczów
zwierzęcych
do
krótkołańcuchowych estrów na drodze transestryfikacji. Transestryfikacja biegnie przez
szereg reakcji pośrednich, tym samym obok biodiesla powstaje mieszanina wielu substancji,
tzw. faza glicerynowa, której głównym składnikiem jest glicerol. Faza glicerynowa stanowi
uciążliwy odpad poprodukcyjny.
Zagospodarowanie dużych ilości taniego glicerolu wymaga poszukiwania nowych
metod jego waloryzacji w cenniejsze produkty chemiczne. Obecnie dużo uwagi skupia się na
biotechnologicznej konwersji fazy glicerynowej do 1,3-propanodiolu z udziałem bakterii z
rodzaju Clostridium. W praktyce przemysłowej 1,3-propanodiol jest wykorzystywany jako
monomer do produkcji poliestrów (np. tereftalan polipropylenowy PTT), poliuretanów,
smarów, rozpuszczalników organicznych (np. dioksanu). Stwierdzono, że materiały powstałe
z reakcji polimeryzacji 1,3-propanodiolu charakteryzują sie dobrą biodegradowalnością,
większym bezpieczeństwem przemysłowym, lepszą specyficznością oraz niższą ceną.
Związek ten znalazł również szereg zastosowań w przemyśle kosmetycznym (jako środek
nawilżający i neutralizujący) i farmaceutycznym (jako środek stabilizujący).
Wdrożenie biotechnologicznej metody otrzymywania 1,3-propanodiolu mogłoby
znacząco obniżyć zużycie energii i surowców oraz zredukować koszty jego wytwarzania. Jak
dotąd biokonwersja glicerolu do 1,3-propanodiolu jest jedną z pierwszych prób rywalizacji z
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
przemysłem tradycyjnym, opartym na produktach ropy naftowej i innych kopalin. W celu
opracowania ekonomicznie atrakcyjnego procesu technologicznego niezbędna jest jednak
intensyfikacja prac nad doskonaleniem posiadanych szczepów produkcyjnych, w kierunku
zwiększenia aktywności metabolicznej oraz tolerancji na stresy.
W literaturze naukowej, w ostatnich latach, pojawiła się nowa metoda modyfikacji
genetycznej, nazywana potocznie tasowaniem genomowym (genome shuffling). Metoda
polega na mutagenizacji wyjściowych szczepów, a następnie na selekcjonowaniu mutantów
odznaczających się wybitnymi zdolnościami metabolicznymi lub fizjologicznymi, które mogą
być uznane za korzystne przy konstrukcji nowego wydajnego szczepu. Mutanty tego typu,
prezentujące wybitne, odmienne cechy (np. termoodporność, odporność na toksyny,
odporność na wysokie ciśnienie osmotyczne, odporność na wysokie stężenie 1,3propanodiolu), poddaje się protoplastyzacji, a następnie fuzji komórkowej w oczekiwaniu, że
w fuzantach pojawi się jednocześnie kilka cech występujących u pojedynczych mutantów.
Zaprezentowaną technikę postanowiono wykorzystać w niniejszej pracy doktorskiej
w celu uzyskania zmutowanych szczepów z rodzaju Clostridium, odznaczających się
zdolnością do wydajnej produkcji 1,3-propanodiolu oraz zwiększoną wytrzymałością na
stresy środowiskowe.
Projekt może przynieść przełom w dziedzinie inżynierii metabolicznej oraz będzie miał
ogromne znaczenie w biotechnologii stosowanej. Dysponowanie narzędziem umożliwiającym
ulepszenie szczepów przemysłowych podniesie aplikacyjność projektów wszystkich prac
opartych na produkcji mikrobiologicznej. Można się spodziewać, że podejście inżynierii
całego genomu będzie w przyszłości odgrywało znaczącą rolę. Technika tasowania będzie
stosowana do optymalizacji szlaków biosyntezy, które do tej pory ograniczano podejściem
polegającym na doskonaleniu pojedynczych enzymów.
Praca doktorska pt. „Tasowanie genomowe u Clostridium butyricum w celu poprawy
wydajności produkcji 1,3-propanodiolu w stresowych warunkach fermentacji” posiada
aspekty zarówno naukowe jak i aplikacyjne. Atrakcyjność poruszanych tematów dla
przedsiębiorców przejawia się w tym, że ich zastosowanie jest jednoznaczne z obniżeniem
kosztów produkcji oraz otwiera drogę do nowych rynków zbytu dla innowacyjnych produktów.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego