Väitös, biotekniikka, DI Natalia Kakko von Koch

Väitöskirjan nimi: Novel methods for diverting microbial cells’ resources from growth to production and assessing the robustness of engineered production

Väittelijä: Natalia Kakko von Koch
Vastaväittäjä: Prof. Paola Branduardi, University of Milano-Bicocca, Italia
Kustos: Prof. Paula Jouhten, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu

Mikrobisolutehtaat voivat tuottaa erilaisia yhdisteitä polttoaineista lääkkeisiin. Solut ovat kuitenkin kehittyneet suosimaan elinkelpoisuutta ja kasvua tuotannon sijaan. Siksi kannattava kemikaalituotanto mikrobisoluilla edellyttää solujen resurssien ohjautumisen optimointia. Kuitenkin, kun solujen resursseja ohjataan tuotantoon, niiden elinkelpoisuus ja kasvu yleensä heikentyvät. Tämä väitöskirja pyrki kehittämään ratkaisuja solujen kasvun ja kemikaalituotannon keskinäisen kilpailun haasteisiin.

Ensimmäinen ratkaisu pyrki erottamaan kasvu- ja tuotantovaiheet ajallisesti haluttujen tuotteiden saannon parantamiseksi. Solujen kasvun ja tuotannon erottamiseksi kehitettiin indusoitava synteettinen säätelysysteemi. Solumassan kartuttua, säätelysysteemillä hajotettiin kasvulle välttämätöntä entsyymiä, jolloin enemmän resursseja ohjautui tuotantoon. Tällä menetelmällä parannettiin teollisesti tärkeiden heterologisten yhdisteiden, mukonihapon ja glykolihapon, saantoja.

Toinen menetelmä pyrki muokkaamaan solujen aineenvaihduntareittejä ja kemiallista ympäristöä siten, että tuotannosta tulee kasvulle välttämätöntä. Genominlaajuisen aineenvaihduntamallin simulaatioilla löydettiin sopivat geenimuokkaukset ja kemiallinen ympäristö, jotka kytkisivät tuotannon kasvuun. Silloin kasvun parantaminen adaptiivisen laboratorioevoluution avulla mahdollistaisi samanaikaisesti parempien tuottajien valinnan. Tällä menetelmällä parannettiin glykolihapon tuotantoa leivinhiivassa.

Lopuksi arvioitiin resursseja kuluttavan heterologisen tuotannon evolutionääristä kestävyyttä leivinhiivassa. Tuotantoa seurattiin sukupolvimäärillä, jotka olivat verrattavissa bioteknologisissa prosesseissa kertyviin. Sininen indigoidiinipigmentaatio väheni nopeasti tavallisessa kemiallisessa ympäristössä. Punaisen bikaveriinin tuotanto kuitenkin säilyi epätavallisessa kemiallisessa ympäristössä, jossa elinkyvyn voimistuminen johtui parantuneesta ravinteiden hyödyntämisestä. Siten muokattujen ominaisuuksien kestävyys osoittautui riippuvan ympäristön haasteista sekä adaptiivisten ratkaisujen saatavuudesta ja hyödyistä.

Kemikaalien tuotanto uusiutuvista raaka-aineista mikrobisolujen avulla on yhä houkuttelevampaa. Valitettavasti bioteknologisen kemikaalituotannon teollista toteutettavuutta rajoittaa edelleen sopivien kantojen kehitys. Tämän väitöskirjan tulokset tarjoavat menetelmiä ja tietoa kantojen optimoimiseksi relevanttien ja mahdollisesti kannattavien yhdisteiden tuottamiseksi bioteknologisesti.

Avainsanat: Synteettinen biologia, adaptiivinen laboratorioevoluutio, aineenvaihduntamalli

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.