Application of Metabolomics to Microbial Breeding

Význam tématu

Metabolomika poskytuje komplexní pohled na vnitrobuněčné změny ve výrobních mikroorganismech. Sleduje úroveň klíčových látek, jako jsou aminokyseliny, organické kyseliny nebo nukleotidové deriváty, a umožňuje optimalizovat biotechnologické procesy, zejména u k výrobě cenných sloučenin, např. cysteinu.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo porovnat změny v metabolickém profilu cystein‐produkujícího Escherichia coli kultivovaného v médiích obohacených buď o thiosíran, nebo o síran jako zdroj síry. Analýza se zaměřila na časový vývoj sledovaných metabolitů v různých fázích kultivace.

Použitá metodika a instrumentace

Pro přípravu vzorků byly bakterie odebrány v časech 3–9 hodin kultivace. Po stanovení optické hustoty (OD) byla buňková suspenze filtrována, rozrušena v methanolu a koncentrována. Extrakt byl naředěn ultrapure vodou a analyzován dvěma LC-MS metodami:

• Ion-pairing metoda na systému LCMS-8040 (RP kolona, mobilní fáze acetát/tributylamin/methanol, gradient 0,3 mL/min)
• Non-ion-pairing metoda na systému LCMS-8050 (RP kolona, mobilní fáze 0,1 % HCOOH–voda/acetonitril, gradient 0,25 mL/min)

Hlavní výsledky a diskuse

Ion-pairing metoda detekovala hlavně aminokyseliny, koenzymy a nukleotidové sloučeniny, zatímco non-ion-pairing metoda lépe odhalila organické kyseliny. V médiu s thiosíradem došlo kolem 6. hodiny (vyčerpané glukózy) k poklesu cysteinu a současnému nárůstu serinu, což odpovídá posunu v biosyntetické dráze. Byly také pozorovány změny v hladinách homocysteinu, SAM/SAH a glutathionu (GSH/GSSG). Kultivace v síranovém médiu vykazovala odlišný časový průběh týchž metabolitů.

Přínosy a praktické využití metody

Díky LC-MS metabolomice lze:

• Rychle sledovat dynamiku produkce cílových sloučenin při různých podmínkách kultivace
• Identifikovat metabolické úzká místa a optimalizační body v biosyntéze
• Zrychlit vývoj geneticky modifikovaných kmenů pro vyšší produktivitu

Budoucí trendy a možnosti využití

Perspektivou je integrace metabolomiky s dalšími „omics“ (proteomika, transkriptomika) a využití strojového učení pro predikci bioprocesů. V praxi poroste význam vysokokapacitních automatizovaných metod a online monitoringu metabolitů v reálném čase.

Závěr

Studie demonstrovala, jak volba sírové složky ovlivňuje metabolický profil E. coli a jak kombinace ion-pairing a non-ion-pairing LC-MS přispívá k podrobnému mapování primárního metabolomu. Tento přístup usnadňuje cílenou optimalizaci průmyslových mikroorganismů.

Reference

• Vzorky E. coli poskytnuty oddělením systémové biologie, Nara Institute of Science and Technology.
• Projekt podpořen programem Ministerstva zemědělství, lesnictví a rybolovu Japonska.