工程细菌大量生产稀有且商业上有用的化合物

利用先进的发酵技术，工业生物技术创业公司Manus Bio希望使制造香精，香水和其他产品更环保，更具成本效益，并可能在此过程中创造新产品。麻省理工学院的分拆创造了一种低成本的工程微生物工艺，从工厂借来复杂的代谢途径，可以生产一系列稀有和昂贵的成分，用于制造非热量饮料，香水，牙膏，洗涤剂，杀虫剂，甚至治疗剂。其他产品。此外，重编程的微生物允许更多地控制沿代谢途径鉴定和提取化合物，这可能导致新化合物成分的发现。

最近，Manus在微生物中重建了一种天然植物工艺，以低成本生产大量令人垂涎的甜菊植物化合物，用于零热量甜味剂，称为Rebaudioside M(Reb M)，其特点是比今天的商业替代品更甜。在自然界中，只有0.01%的化合物可以从甜叶菊植物中提取，因此公司提取更丰富但更苦的化合物。

另一方面，Manus设计了细菌来模仿甜叶菊植物的代谢途径。当通过初创公司的发酵过程时，细菌产生的化合物纯度大于95%。

新的甜味剂的生产展示了Manus的微生物工程如何用于制造更精致的口味和其他产品更具成本效益，麻省理工学院教授Gregory Stephanopoulos说，他是该创业公司的共同创始人，并与前博士后和当前共同发明了核心技术。 Manus首席执行官Ajikumar Parayil。平均而言，Manus的过程大约是任何植物提取方法成本的十分之一，并且显着减少了土地资源的使用。

“如果从甜叶菊植物中提取原始化合物，它具有金属味。但如果你分离出代谢途径的成分并找到单个化合物，那么你最终得到的是最感兴趣的产品，”Stephanopoulos说。担任创业公司的科学顾问。

Manus的商业发酵过程涉及利用植物代谢途径设计微生物，并将其置于具有廉价糖的大规模发酵罐中以供给。在发酵过程中，微生物产生大量可以用商业方法提取的成分。Manus计划今年扩大到商业水平，并将产品销售给其工业合作伙伴。

Manus管道中的另一种产品是一种名为nootkatone的稀有化合物，这是葡萄柚中的一种关键成分，用作环保型驱虫剂。目前通过传统方法生产每公斤花费数千美元。但是，生产成本更低，质量更高，例如，它可以用作帮助对抗莱姆病，疟疾，寨卡病毒和其他昆虫传播的病原体的环境安全方法。

不仅仅是“将基因拼凑在一起”

近年来，发酵工程微生物以产生某些化合物已变得越来越普遍。但是，马努斯过程的关键在于设计这样的途径，使其能够生产足够数量的这些化合物，从而具有商业价值，Stephanopoulos说。“将基因拼凑在一起制作产品很好，但这并不能为你提供经济地生产产品的平台，”他说。“制造几毫克化合物和几克之间有一个很大的差距，这是你需要使它具有商业可行性。”

核心技术追溯到新的工作Stephanopoulos和Parayil开始在麻省理工学院。在2000年代中期，两位研究人员修改了产生类异戊二烯的细菌中的复杂代谢途径，这是一种由60,000多种分子组成的不同组合，用于制造许多产品，包括治疗剂。之前已经做过商业用途的调整，“但我们特别注意产品的数量，”Stephanopoulos说。

2010年，Stephanopoulos，Parayil和麻省理工学院的其他研究人员发表了他们关于科学工作的第一篇论文。在其中，他们描述了具有17个复杂中间步骤的代谢途径的工程微生物，其可以产生大量的癌症药物紫杉醇的关键中间化合物，最初从太平洋紫杉树皮中提取。为此，研究人员在该途径中添加了酶和植物基因，这有助于催化中间步骤并消除减缓该途径的瓶颈。与传统的微生物工程方法相比，这样做的化合物产量增加了1000倍。

Parayil说，该论文的一个主要特点是使用酶将线性途径切割成一个独立的，不同模块的网络，这些模块可以更容易地控制和修改 - 这个过程被称为多变量模块化代谢工程(MMME)。“基本上，核心概念是简化工程生物学，”他说。

大约在同一时间，来自香精香料行业公司的研究人员通过工业联络计划(ILP)访问麻省理工学院，了解当前的创新。在与Stephanopoulos和Parayil会面后，该代表说服她的公司为该技术的进一步发展提供资金。2012年，两位研究人员在剑桥推出了Manus实验室，将该技术商业化。

斯蒂芬诺普洛斯指出，通过ILP促进了这一初步的工业合作，作为马努斯成功的踏脚石。除了资金，这家未具名的公司提供了有关制造的见解，并让其他公司购买新技术的想法。“这是我们的竞争优势之一。我们从第一天起就与这家公司合作学到了很多东西，”Stephanopoulos说。

在他结束时，Parayil将商业理念带到了麻省理工学院的创新团队(i-Teams) - 来自不同学科的学生充实了将实验室技术转化为商业产品的战略 - 以及马丁信托中心的麻省理工学院创业团队，ILP和班级例如15.366(Energy Ventures)，它帮助他完善商业计划并与客户联系等。“这些都是独特的体验，展示了如何将技术从实验室转化为市场，”Parayil说。

新发现的途径

今天，Manus的技术已在许多学术出版物中得到验证，包括科学和PNAS。与MMME一起，该过程现在包含途径整合蛋白质工程，其使用设计工具实现快速和有效的酶工程，以及集成的多变量组学分析，一套分析工具，以揭示代谢途径的瓶颈。

除了削减成本和使用土地资源外，该技术还代表了一个“有助于发现新分子的平台”，Parayil说。例如，在自然界中，从植物中提取的化合物代表了具有许多中间步骤的长而复杂的代谢过程的最终产物。目前，没有办法发现沿途生产的所有化合物。

然而，Manus可以监测整个代谢途径，并识别，调整和潜在提取在任何阶段产生的先前未测试的化合物。在这样做的过程中，“你可以极大地增加可能具有非常重要特性的化学品的数量，例如药品，香料和杀虫剂，”Stephanopoulos说。但他补充说，这还有待进一步发展。

斯蒂芬诺普洛斯说，今年对于马努斯来说“特别重要”。这家总部位于剑桥的创业公司目前正在加大生产，以实现甜味剂和其他产品的商业化。“如果Manus能够展示出以商业规模生产化合物的能力，那将成为公司在生物技术领域和香水，香精和甜味剂生产领域的重要竞争者的可信度，”他说。