ביוטכנולוגיה/דרכים להגדלת כושר הייצור של תוצר מבוקש

הקדמה

ישנם שני סוגי מטבוליטים :

• מטבוליט ראשוני : תרכובות המיוצרות תהליכי בניה ופירוק - מטבוליט קבוע בתא (במצב "נורמל".
• מטבוליט שניוני - במצב עקה. תרכובות הנוצרות בייצור רק במצבי "חירום".

עבור כל אחד מהם ישנם דרכים שונות לאיתור יצרני יתר (חיידיקים המייצרים בעודף חומר מסוים).

מטבוליט ראשוני

שתי גישות להגדלת כושר הייצר של תוצר מבוקש:

1. גישה ביוכימית – טיפול באמצעות שינוי ריכוזים של מולקולות אורגניות בתא, שינוי תנאים חיצונים וכדומה. כלומר, נשנה רמת פעילות אנזימטית בהתאם לצורך באמצעות שינויים ביוכימיים בלבד ("יצירת" תנאים מתאימים). דוגמא לשימוש : יצור חומצה ציטרית.
2. הגישה הגנטית – יצירת שינויים מבוקשים ברמת הדנ"א.ייצור היתר של התוצר ישמר לאורך דורות – שינוי קבוע.

באופן כללי ישנם 2 אפשרויות לקבלת כמות תוצר גדולה יותר :

1. הגברת ייצור של החומר המבוקש - בדרך כלל מטבוליט שניוני.
2. הפחתת ניצול החומר המבוקש על ידי התא ובכך יש יותר כמות מהתוצר - יותר קל להשגה כיוון שהמסלול הביוסינתטי של מטבוליטים ראשונים ידוע (ברך כלל מטבוליט ראשוני).

הרחבה עבור המישור הגנטי

מוטציה

הקדמה

בכדי להבין טוב יותר את הנושא, ניתן דוגמא שמסבירה את העיקרון למציאת חיידק המייצר בעודף.

• ברצוננו לייצר בעודף את חומר D.
• אנו יודעים כי חומר B הופך לשני החומרים C ו-D.
• שני החומרים, הם חומרים נחוצים לחיידק בשביל לגדול.
• אנו רוצים לייצר בעודף את חומר D, לכן, נחפש מוטציה פגומה, לה אין את אנזים c.
• מצד אחד, אם למוטציה אין את אנזים c, החומר B יהפוך רק ל-D, ולכן, כמות ה-D שנפיק תיהיה גדול יותר. מצד שני, למוטציה חסר מרכיב חיוני לגדילה (חומר C). בכדי לפתור את הבעיה, נוסיף לחיידק כמויות קטנות של חומר C להם הוא זקוק בשביל לגדול.

שלב א' - יצירת מוטציות

ראשית עלינו לייצר את החיידק היודע לייצר בעודף את החומר הרצוי (כלומר, חיידק פגום גנטית).

מוטציה – מתרחשת בשלב הכפלת הדנ"א במסגרת חלוקת התא בעקבות שינוי ברצף הבסיסים או בחומצת הגרעין בדנ"א. ישנם 2 דרכים ליצירת מוטציה :

• פיזיקאלי – קרינות שונות (uv, x ועוד).
• כימית – חומרים מוטגנים (מעודדי מוטגנזה = יצירת מוטציות), כמו אתידיום ברומיד.

שלב ב'

לאחר יצירת המוטנטים, רוב התאים מתים. מבין התאים שנשארו בחיים, נחפש את המוטנט בעל התכונה הרצוייה.

מסלול מטבוליטי לדוגמא

המסלול בהם נוצרים מטבוליטים ראשונים - רוב המטבוליטים הראשונים מיוצרים במנגנון היזון חוזר שלילי, כלומר התוצר הסופי במסלול מעכב את מסלול היווצרותו.
והיה והחומר המבוקש מיוצר במנגנון כזה, יהיה ניתן לייצרו בעודף בשיטה המוסברת בהמשך הדף.

המוטנט המבוקש יכול לייצור בעודף את החומר המבוקש בשני דרכים :

1. מוטנט הפגוע באנזים בקרה (E4 בציור) - אם האנזים אינו פועל, אין מעכב ליצירת D. איתור המושבה המייצרת בעודף את החומר קשה לזיהוי ומתבצע תהליך ארוך.
2. פגיעה בייצור תרכובת הבקרה (A)- במצב זה נוצר מוטנט אוקסוטרוף ל-A (כלומר, מוטנט שאינו יודע ליצר חומר נחוץ ונדרש לקבלו מבחוץ) שהיא תרכובת הבקרה. שימוש במוטנט אוקסוטרוף בעל יתרון כיוון שקל יותר לאתרו ע"י שימוש "בשיטת העשרה".

שלב ג' - "שיטת העשרה"

נעזרים בגורם סלקציה. למשל; אנו יודעים כי :

• פניצילין פוגע רק בתאים מתחלקים.
• מוטנטים אוקסוטרופים אינם מתחלקים כי חסרה להם תרכובת בקרה.

ביצוע האיתור :

1. שתילת המושבות ששרדו על מצע בעל פניצילין.
2. כל החיידקים שאינם חיידקים אוקסוטרופים מתים בעקבות הפניצילין ומי שנשאר חי הם האוקסוטרופים שאינם מתחלקים כי חסר להם מרכיב.
3. העברה למצע גידול טרי ללא פניצילין עם תרכובת הבקרה לייצור כמות רבה של החיידק המיצר היתר.

רקומבינציה

איחוי של מרכיבים גנטיים ממקורות שונים. בניגוד למוטציה הרקומבינציה מחייבת ידע קודם על הגנים של המיקרואורגניזמים וזהו הגורם המגביל בה. שני דרכים לשימוש בשיטה זו :

איחוי פרוטופלסטים (in Vivo)

פרוטופלסט – תא חסר דופן, בעל תכונה להתחבר עם פרוטופלסט אחר וליצור פרוטופלסט חדש עם תכונות של שני הפרוטופלסטים. למשל, ליצירת יצרן יתר של ליזין מיוצר פרוטופלסטים משתי מקורות :

• חיידק א' – מייצר ליזין ביתר.
• חיידק ב' – מפרק גלוקוז בקצב מוגבר (יותר אנרגיה).

יחד אנו נקבל "סופר" חיידק המייצר ב"סופר" יתר ליזין.

רקומבונציה (In Vitro) - הנדסה גנטית

תא חיידקי ובתוכו פלסמידים הצבועים בצבע כחול

• ביצוע ה"ג בחיידקים מאפשרת החדרה של גן מסוים מזן א' לתוך חיידק ב' מזן אחר.
• בחיידקים לא מחדירים את הזן הזר לתוך הכרומוזום העיקרי אלא למולקולה דנ"א מעגלית חוץ כרומוזימלית קטנה הנקראת פלסמיד.
• בחיידק אחד יכול להיות עד 100 עותקים של כל פלסמיד.

דוגמא : העברת הגנים המעורבים בייצור טריאונין מזן המייצר בעודף לתוך פלסמיד והחדרתו לחיידק מובילה לייצור יתר מוגבר (מפני שהפלסמיד מופיע מאה פעמים ולכן גם התוצר).

מטבוליט שניוני

בניגוד למטבוליט ראשוני לו אנו יודעים את המסלולים שהוא עובד, למטבוליט שניוני אין לנו כמעט ידע ולכן איתור יצרן היתר נעשה על ידי ניסוי וטעייה, אמפרי (תוך כדי ניסוי). תחילה מייצרים מוטנט על תרחיף נבגים ומבין אלה השורדים מתחילים לבצע מבחני סריקה הספציפים לחומר הרצוי.