الهندسة الأيضية

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
بعض خطوات هندسة عملية التمثيل الغذائي

الهندسة الأيضية هي ممارسة تحسين العمليات الجينية والتنظيمية داخل الخلايا لزيادة إنتاج الخلية لمادة معينة. هذه العمليات عبارة عن شبكات كيميائية تستخدم سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية والإنزيمات التي تسمح للخلايا بتحويل المواد الخام إلى جزيئات ضرورية لبقائها. تسعى الهندسة الأيضية تحديدًا إلى وضع نماذج رياضية لهذه الشبكات، وحساب إنتاجية المنتجات المفيدة، وتحديد أجزاء الشبكة التي تحد من إنتاج هذه المنتجات. [ 1 ] يمكن بعد ذلك استخدام تقنيات الهندسة الوراثية لتعديل الشبكة بهدف تخفيف هذه القيود. ومرة ​​أخرى، يمكن نمذجة هذه الشبكة المعدلة لحساب إنتاجية المنتج الجديد.

يتمثل الهدف النهائي للهندسة الأيضية في استخدام هذه الكائنات الحية لإنتاج مواد قيّمة على نطاق صناعي وبطريقة فعّالة من حيث التكلفة. تشمل الأمثلة الحالية إنتاج البيرة والنبيذ والجبن والأدوية وغيرها من منتجات التكنولوجيا الحيوية . [ 2 ] ومن المجالات المحتملة الأخرى تطوير محاصيل زيتية تم تعديل تركيبها لتحسين قيمتها الغذائية. [ 3 ] تتضمن بعض الاستراتيجيات الشائعة المستخدمة في الهندسة الأيضية ما يلي: (1) الإفراط في التعبير عن الجين الذي يشفر الإنزيم المحدد لمعدل التفاعل في مسار التخليق الحيوي، (2) حجب مسارات الأيض المنافسة، (3) التعبير عن الجينات غير المتجانسة، و(4) هندسة الإنزيمات. [ 4 ]

بما أن الخلايا تستخدم هذه الشبكات الأيضية للبقاء على قيد الحياة، فإن أي تغيير فيها قد يُحدث آثارًا بالغة على قدرتها على البقاء. ولذلك، تنشأ مفاضلات في الهندسة الأيضية بين قدرة الخلايا على إنتاج المادة المطلوبة واحتياجاتها الطبيعية للبقاء. لذا، وبدلًا من حذف الجينات المسؤولة عن إنتاج الإنزيمات الأيضية أو زيادة التعبير عنها بشكل مباشر، ينصب التركيز حاليًا على استهداف الشبكات التنظيمية في الخلية لهندسة عملية الأيض بكفاءة. [ 5 ]

التاريخ والتطبيقات

يمكن تحسين عملية التمثيل الغذائي الخلوي للاستخدام الصناعي.

في الماضي، ولزيادة إنتاجية مستقلب معين ، كان يتم تعديل الكائنات الدقيقة وراثيًا عن طريق الطفرات الكيميائية ، ثم يتم اختيار السلالة الطافرة التي تُفرط في إنتاج المستقلب المطلوب. [ 6 ] ومع ذلك، تمثلت إحدى المشكلات الرئيسية لهذه التقنية في عدم تحليل المسار الأيضي لإنتاج ذلك المستقلب، ونتيجة لذلك، ظلت معوقات الإنتاج والإنزيمات ذات الصلة في المسار الأيضي التي يجب تعديلها غير معروفة. [ 6 ]

في تسعينيات القرن الماضي، ظهرت تقنية جديدة تُعرف بالهندسة الأيضية. تُحلل هذه التقنية المسار الأيضي للكائنات الدقيقة ، وتُحدد القيود وتأثيراتها على إنتاج المركبات المطلوبة. ثم تستخدم الهندسة الوراثية للتخفيف من هذه القيود. من الأمثلة الناجحة على الهندسة الأيضية ما يلي: (أ) تحديد القيود المفروضة على إنتاج الليسين في بكتيريا Corynebacterium glutamicum وإدخال جينات جديدة للتخفيف من هذه القيود وتحسين الإنتاج [ 7 ]، (ب) هندسة مسار جديد لتخليق الأحماض الدهنية ، يُسمى مسار أكسدة بيتا المعكوس ، وهو أكثر كفاءة من المسار الأصلي في إنتاج الأحماض الدهنية والكحولات التي يُمكن تحويلها تحفيزيًا إلى مواد كيميائية ووقود [ 8 ]، (ج) تحسين إنتاج DAHP، وهو مستقلب عطري تُنتجه بكتيريا E. coli ، ويُعد وسيطًا في إنتاج الأحماض الأمينية العطرية [ 9 ] . وقد حُدد من خلال تحليل التدفق الأيضي أن الحد الأقصى النظري لإنتاج DAHP لكل جزيء جلوكوز مُستهلك هو 3/7. يعود ذلك إلى فقدان جزء من الكربون الموجود في الجلوكوز على شكل ثاني أكسيد الكربون، بدلاً من استخدامه في إنتاج ثنائي هيدروكسي بيروفات (DAHP). كما أن أحد المستقلبات (PEP، أو فوسفينول بيروفات ) المستخدمة في إنتاج DAHP، كان يتحول إلى بيروفات (PYR) لنقل الجلوكوز إلى داخل الخلية، وبالتالي لم يعد متاحًا لإنتاج DAHP. وللتغلب على نقص PEP وزيادة الإنتاجية، استخدم باتنايك وزملاؤه الهندسة الوراثية في بكتيريا الإشريكية القولونية لإدخال تفاعل يحول PYR مرة أخرى إلى PEP. وهكذا، يتم تجديد PEP المستخدم لنقل الجلوكوز إلى داخل الخلية، ويمكن استخدامه لإنتاج DAHP. وقد نتج عن ذلك إنتاجية نظرية قصوى جديدة تبلغ 6/7، أي ضعف إنتاجية نظام الإشريكية القولونية الأصلي .

على المستوى الصناعي، باتت الهندسة الأيضية أكثر ملاءمة وفعالية من حيث التكلفة. ووفقًا لمنظمة صناعة التكنولوجيا الحيوية ، "يجري بناء أكثر من 50 منشأة تكرير حيوي في جميع أنحاء أمريكا الشمالية لتطبيق الهندسة الأيضية في إنتاج الوقود الحيوي والمواد الكيميائية من الكتلة الحيوية المتجددة ، مما يُسهم في الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ". وتشمل أنواع الوقود الحيوي المحتملة الكحولات والألكانات قصيرة السلسلة (كبديل للبنزين )، وإسترات ميثيل الأحماض الدهنية والكحولات الدهنية (كبديل للديزل )، والوقود الحيوي القائم على الأحماض الدهنية والإيزوبرينويدات (كبديل للديزل ). [ 10 ]

يستمر التطور في مجال الهندسة الأيضية من حيث الكفاءة والعمليات، مدعومًا بالاكتشافات الرائدة في مجال البيولوجيا التركيبية والتقدم المحرز في فهم تلف الأيضات وإصلاحه أو الوقاية منه . أظهرت التجارب المبكرة في الهندسة الأيضية أن تراكم الوسائط التفاعلية قد يحد من تدفق المسارات المُهندسة، وقد يكون ضارًا بالخلايا المضيفة في حال غياب أنظمة التحكم في التلف أو عدم كفايتها. [ 11 ] [ 12 ] يعمل الباحثون في البيولوجيا التركيبية على تحسين المسارات الجينية، والتي بدورها تؤثر على نواتج الأيض الخلوية. وقد ساهم الانخفاض الأخير في تكلفة الحمض النووي المُصنّع والتطورات في الدوائر الجينية في التأثير على قدرة الهندسة الأيضية على إنتاج النواتج المطلوبة. [ 13 ]

تحليل التدفق الأيضي

يمكن الاطلاع على تحليل التدفق الأيضي في قسم تحليل توازن التدفق

إعداد مسار أيضي للتحليل

تتمثل الخطوة الأولى في هذه العملية في تحديد الهدف المنشود من خلال تحسين أو تعديل عملية الأيض في الكائن الحي. تُستخدم المراجع وقواعد البيانات الإلكترونية للبحث عن التفاعلات والمسارات الأيضية القادرة على إنتاج هذا المنتج أو النتيجة. تحتوي هذه القواعد على معلومات جينومية وكيميائية وافرة، بما في ذلك مسارات الأيض والعمليات الخلوية الأخرى. بناءً على هذا البحث، يُختار كائن حي يُستخدم لإنتاج المنتج أو النتيجة المطلوبة. من الاعتبارات التي تُؤخذ في الحسبان عند اتخاذ هذا القرار: مدى قرب مسار الأيض في الكائن الحي من المسار المطلوب، وتكاليف صيانة الكائن الحي، وسهولة تعديل مساره. تُستخدم بكتيريا الإشريكية القولونية ( E. coli ) على نطاق واسع في الهندسة الأيضية لتخليق مجموعة متنوعة من المنتجات، مثل الأحماض الأمينية، نظرًا لسهولة صيانتها وتعديلها نسبيًا. [ 14 ] إذا لم يكن لدى الكائن الحي المسار الكامل للمنتج أو النتيجة المطلوبة، فيجب دمج الجينات المسؤولة عن إنتاج الإنزيمات المفقودة فيه.

تحليل مسار أيضي

يُنمذج المسار الأيضي المكتمل رياضيًا لإيجاد الناتج النظري للمنتج أو تدفقات التفاعل في الخلية. التدفق هو معدل حدوث تفاعل معين في الشبكة. يمكن إجراء تحليل بسيط للمسار الأيضي يدويًا، لكن معظمها يتطلب استخدام برامج حاسوبية لإجراء الحسابات. [ 15 ] تستخدم هذه البرامج خوارزميات جبر خطي معقدة لحل هذه النماذج. لحل شبكة باستخدام معادلة الأنظمة المحددة الموضحة أدناه، يجب إدخال المعلومات اللازمة حول التفاعلات ذات الصلة وتدفقاتها. معلومات التفاعل (مثل المتفاعلات والقياسات الكيميائية ) موجودة في المصفوفتين Gx و Gm . تحتوي المصفوفتان Vm و Vx على تدفقات التفاعلات ذات الصلة. عند حل المعادلة، نحصل على قيم جميع التدفقات المجهولة (الموجودة في Vx ) .

Vx=-(جيx)-1*(جيم*Vم){\displaystyle V_{x}=-(G_{x})^{-1}*(G_{m}*V_{m})}

تحديد التعديلات الجينية المثلى

بعد حساب تدفقات التفاعلات في الشبكة، من الضروري تحديد التفاعلات التي يمكن تعديلها لزيادة إنتاج المنتج المطلوب إلى أقصى حد. ولتحديد التعديلات الجينية اللازمة، يُستخدم خوارزميات حسابية، مثل OptGene أو OptFlux. [ 16 ] تُقدم هذه الخوارزميات توصيات بشأن الجينات التي يجب زيادة التعبير عنها، أو تعطيلها، أو إدخالها في الخلية لزيادة إنتاج المنتج المطلوب. على سبيل المثال، إذا كان تدفق تفاعل معين منخفضًا جدًا ويحد من كمية المنتج، فقد يُوصي البرنامج بزيادة التعبير عن الإنزيم المُحفز لهذا التفاعل في الخلية لزيادة تدفق التفاعل. ويمكن إجراء التعديلات الجينية اللازمة باستخدام تقنيات البيولوجيا الجزيئية القياسية. ويمكن زيادة التعبير عن الجينات أو تعطيلها في الكائن الحي، بناءً على تأثيرها على المسار والهدف النهائي. [ 17 ]

القياسات التجريبية

لإنشاء نموذج قابل للحل، غالبًا ما يكون من الضروري معرفة بعض التدفقات مسبقًا أو قياسها تجريبيًا. إضافةً إلى ذلك، وللتحقق من تأثير التعديلات الجينية على الشبكة الأيضية (لضمان توافقها مع النموذج)، من الضروري قياس التدفقات في الشبكة تجريبيًا. لقياس تدفقات التفاعلات، تُجرى قياسات تدفق الكربون باستخدام الوسم النظيري للكربون-13 . [ 18 ] يُغذى الكائن الحي بمزيج يحتوي على جزيئات تم فيها هندسة ذرات كربون محددة لتكون ذرات كربون-13 بدلًا من كربون-12. بعد استخدام هذه الجزيئات في الشبكة، تُوسم المستقلبات اللاحقة أيضًا بالكربون-13، حيث تُدمج هذه الذرات في بنيتها. يُحدد نمط الوسم المحدد للمستقلبات المختلفة من خلال تدفقات التفاعلات في الشبكة. يمكن قياس أنماط الوسم باستخدام تقنيات مثل كروماتوغرافيا الغاز-مطياف الكتلة (GC-MS) إلى جانب خوارزميات حسابية لتحديد تدفقات التفاعلات.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ يانغ، واي تي، بينيت، جي إن، سان، كي واي، (1998) الهندسة الوراثية والأيضية ، المجلة الإلكترونية للتكنولوجيا الحيوية، الرقم الدولي الموحد للدوريات 0717-3458 
  2. ↑ ن. ميلن، ب. تومسن، ن. مولغارد كنودسن، ب. روباسكا، م. كريستنسن، ل. بورودينا (2020-07-01). " الهندسة الأيضية لخميرة Saccharomyces cerevisiae لإنتاج السيلوسيبين ومشتقات التريبتامين ذات الصلة من الصفر" . الهندسة الأيضية . 60 : 25-36 . doi : 10.1016/j.ymben.2019.12.007 . ISSN 1096-7176 . PMC 7232020. PMID 32224264 .   {{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  3. ↑ تشو، شيو رونغ؛ ليو، تشينغ؛ سينغ، سوريندر (27-03-2023). "هندسة زيوت نباتية صالحة للأكل ذات قيمة غذائية محسّنة" . المراجعة السنوية لعلوم وتكنولوجيا الأغذية . 14 (1): 247-269 . doi : 10.1146/annurev-food-052720-104852 . ISSN 1941-1413 . 
  4. ↑ كولكارني ر، 2016. الهندسة الأيضية: الفن البيولوجي لإنتاج المواد الكيميائية المفيدة . الرنين، 21 (3)، 233-237.
  5. ↑ فيموري، جي إم، أريستيدو، إيه إيه، (2005) الهندسة الأيضية في عصر علم الجينوم: توضيح وتعديل الشبكات التنظيمية ، مجلة مراجعة البيولوجيا الجزيئية الميكروبية، المجلد 69: 197-216
  6. 1 2 فويت، إيبرهارد، توريس، نيستور ف. (2002). "تحليل المسارات وتحسينها في الهندسة الأيضية". كامبريدج: مطبعة الجامعة، ص. 9-10
  7. ↑ ستيفانوبولوس، جي إن، أريستيدو، إيه إيه، نيلسن، جيه. (1998). "الهندسة الأيضية: المبادئ والمنهجيات". سان دييغو: أكاديميك برس
  8. ↑ ديلوموناكو، كليمنتينا. (2011). هندسة عكس دورة أكسدة بيتا لتخليق الوقود والمواد الكيميائية. نيتشر 476، 355-359
  9. ↑ باتنايك، ر. ولياو، ج. (1994). "هندسة عملية الأيض المركزية في بكتيريا الإشريكية القولونية لإنتاج مستقلبات عطرية بنسبة قريبة من النسبة النظرية". مجلة علم الأحياء الدقيقة التطبيقية والبيئية 60(11): 3903-3908
  10. ↑ كيسلينج د.، جاي (2010). إنتاج الوقود الحيوي المتقدم في الميكروبات. مجلة التكنولوجيا الحيوية، 5، 147-162
  11. ↑ مارتن، فينسنت جيه جيه؛ بيترا، دوغلاس جيه؛ ويذرز، سيدنور تي؛ نيومان، جاك دي؛ كيسلينغ، جاي دي. (1 يوليو 2003). "هندسة مسار الميفالونات في الإشريكية القولونية لإنتاج التربينويدات". مجلة نيتشر للتكنولوجيا الحيوية . 21 (7): 796-802 . doi : 10.1038/nbt833 . ISSN 1087-0156 . PMID 12778056. S2CID 17214504 .   
  12. ↑ ويذرز، سيدنور ت.؛ غوتليب، شاين س.؛ ليو، بوني؛ نيومان، جاك د.؛ كيسلينغ، جاي د. (2007-10-01). "تحديد جينات التخليق الحيوي للأيزوبنتينول من بكتيريا Bacillus subtilis باستخدام طريقة فحص تعتمد على سمية سلائف الأيزوبرينويد" . علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي . 73 (19): 6277-6283 . doi : 10.1128/AEM.00861-07 . ISSN 0099-2240 . PMC 2075014. PMID 17693564 .   
  13. ↑ ستيفانوبولوس، غريغوري (16 نوفمبر 2012). "علم الأحياء التركيبي والهندسة الأيضية". مجلة ACS لعلم الأحياء التركيبي . 1 (11): 514-525 . doi : 10.1021/sb300094q . PMID 23656228 . 
  14. ↑ جامعة كاليفورنيا - لوس أنجلوس (18 ديسمبر 2008). "التعديل الجيني يحوّل بكتيريا الإشريكية القولونية إلى وقود حيوي عالي الكثافة". ساينس ديلي. تم الاسترجاع في 7 ديسمبر 2011 من https://www.sciencedaily.com/releases/2008/12/081218151652.htm
  15. ↑ شيلنبرغر، ج.، كيو، ر.، فليمنغ، ر.، وآخرون (2011). "التنبؤ الكمي بعمليات الأيض الخلوي باستخدام نماذج قائمة على القيود: مجموعة أدوات COBRA الإصدار 2.0". بروتوكولات الطبيعة. 6(9): 1290-1307
  16. ↑ روشا، آي.، مايا، ب.، إيفانجيليستا، ب.، وآخرون. (2010). "أوبت فلوكس: منصة برمجية مفتوحة المصدر للهندسة الأيضية الحاسوبية". بي إم سي سيز بيول. 45(4)
  17. ↑ وورك، تي إس، هينتون، آر، وورك، إي، دوبروتا، إم، تشارد، تي (1980). "التقنيات المختبرية في الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية". المجلد 8
  18. ↑ ويشيرت، دبليو. ودي غراف، إيه إيه (2000). "خطوات التفاعل ثنائية الاتجاه في الشبكات الأيضية: نمذجة ومحاكاة تجارب الوسم بنظائر الكربون". التكنولوجيا الحيوية والهندسة الحيوية 55(1): 101-117

موقع منظمة صناعة التكنولوجيا الحيوية (BIO):