KI erhöht Produktivität von Hefezellen massiv

Wissenschaftler des PNNL produzieren Itaconsäure mithilfe von rechnergestütztem Bioengineering

Künstlerische Darstellung der mikrobiellen Fabrik der Zukunft (Bild: pnnl.gov)

Richland (pte025/29.11.2021/13:00)

Ein kostengünstiges und umweltverträgliches Verfahren zur Herstellung von Itaconsäure entwickeln Forscher am Pacific Northwest National Laboratory https://www.pnnl.gov/ (PNNL) in Richland im US-Bundesstaat Washington. Sie bauen mikrobielle Fabriken, in denen genetisch manipulierte Mikroorganismen die Säure produzieren. Sie wir zur Herstellung von Kunststoffen, Gummi, Lacken und Farben sowie in der pharmazeutischen Industrie verwendet. Die Biologin Erin Bredeweg stellte schnell fest, dass die Aufgabe, Hefen so umzubauen, dass sie den wertvollen Chemierohstoff in großen Mengen herstellen, keineswegs trivial ist. Als erstes stellte sie gewissermaßen einen Fingerabdruck einer Hefe her, die mit den üblichen biologischen Mitteln so verändert worden dar, dass sie das gewünschte Produkt herstellen konnte. Es zeigte sich jedoch, dass die Menge bei weitem nicht ausreichte, um in die Nähe der Wirtschaftlichkeit zu kommen. 

[b]Mit maschinellem Lernen zum Ziel[/b]

Deshalb reichte sie die Daten an den PNNL-Informatiker Neeraj Kumar weiter. Er sollte die theoretischen Voraussetzungen für den weiteren Umbau des Mikroorganismus schaffen. Kumar und sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Andrew McNaughton analysierten mit maschinellem Lernen dieses Profil, um zu sehen, welche nicht essentiellen Gene aus der Hefe entfernt werden könnten und welche hinzugefügt werden könnten, um die Produktion von Itaconsäure zu erhöhen.

[b]„Rezepte" für die Genmanipulation[/b]

„Wir mussten zunächst herausfinden, welche Gene im Itaconsäure-Produktionsweg wir ändern konnten, damit die Hefe größere Mengen der Chemikalie herstellt", sagt Kumar. „Die Herausforderung bestand darin, das Gleichgewicht zwischen Zellgesundheit und Bioproduktion zu finden." Im nächsten Schritt entwarfen die Datenwissenschaftler mehrere „Rezepte" zur Entfernung von Genen und zum Einbau von neuen.

[b]Computerbasierte Vorhersagen stimmten[/b]

Jetzt waren die Biologen wieder an der Reihe. Sie veränderten Hefezellen so, wie es die Datenwissenschaftler vorgeschlagen hatte. Alle derart manipulierten Mikroorganismen produzierten weit mehr Itaconsäure als die ursprünglichen Zellen, die computerbasierten Vorhersagen erwiesen sich als richtig.

„Obwohl sich diese Forschung noch in einem frühen Stadium befindet, ist es aufregend, ihr Potenzial zu sehen", sagt Bredeweg. „Maschinelles Lernen und kausale Inferenz können neue Denkweisen darüber aufdecken, wie ein komplexes Zellsystem wie Hefe auf individuelle Genveränderungen reagieren könnte, die über das hinausgehen, was allein durch metabolische Modellierung möglich ist."

[b]Neue Ära im Biosystemdesign[/b]

„Dieses rechnergestützte Bioengineering lässt sich auf andere Systeme auszuweiten", sagt Kumar. „Diese Strategie könnte eine neue Ära im Biosystemdesign für die Herstellung umweltfreundlicher Chemikalien einläuten."

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