PsyXpress: Development of a new bacterial host for efficient expression of cold-adapted enzymes

Innen bioteknologisk forskning og industri er det et økende fokus på enzymer med ekstreme egenskaper. Eksempelvis har enzymer med kuldetilpassede egenskaper et stort industrielt potensiale ettersom de fungerer svært effektivt ved lave temperaturer, de kan bidra til å gjøre industrielle prosesser mer miljøvennlige og kan bidra til å øke kvaliteten på produkter. Det er imidlertid svært utfordrende å produsere kuldetilpassede enzymer, og denne utfordringen representerer i dag trolig den viktigste flaskehalsen i videre utvikling av nye enzymprodukter fra marin bioprospektering. Grunnen til dette er at kuldetilpassede enzymer ofte er uvirksomme i standard produksjonssystemer. Et forbedret system for produksjon av ekstreme enzymer kan gi store nasjonale og internasjonale ringvirkninger, og vil kunne føre til langt flere kommersielle produkter fra bioprospekteringen. Målet med prosjektet PsyXpress har vært å modifisere en arktisk bakterie, som er naturlig tilpasset ekstreme miljøbetingelser, for produksjon av kuldetilpassede (og andre ekstreme) enzymer. Vi har identifisert en marin bakterie som en meget interessant kandidat for videre utvikling. De viktigste årsakene er at bakterien trives godt ved svært lave temperaturer, bakterien vokser raskt og til høy tetthet, den er sensitiv til typisk brukte antibiotika, uttrykk av ønsket enzymgen kan startes ved å tilføre bakterien en såkalt induser, bakteriens arvestoff er kjent, og bakteriens arvestoff kan endres på en spesifikk måte ved hjelp av standard genetiske verktøy. Under prosjektperioden er det blitt utviklet et prototype ekspresjonssystem for produksjon av ekstreme enzymer, og ekspresjon av seksten kommersielt interessante kuldeadapterte enzymer er gjennomført. I ni av tilfellene er det produsert løselig protein, noe som er et høyere antall enn forventet ved bruk av konvensjonelle systemer, som E. coli. Videre utvikling av systemet, enten i form av levende celler og kjemikalier eller som en sørvis hos en leverandør, fortsetter.

Innen bioteknologisk forskning og industri har det de senere årene vært mye fokus på enzymer med ekstreme egenskaper (ekstremofile). Eksempelvis har kuldeadapterte enzymer et stort industrielt potensiale fordi de effektivt katalyserer enzymatiske prosesser ved lave temperaturer. Dette kan bidra til å gjøre prosesser mer tids- og kostnadseffektive samt mer miljøvennlige. Det har imidlertid vist seg å være svært utfordrende å produsere ekstremofile enzym i standard mesofile produksjonsverter som Escherichia coli. Grunnen til dette er at enzymer ofte danner uvirksomme aggregater. Denne utfordringen representerer i dag trolig den viktigste flaskehalsen i videre utvikling av nye enzymprodukter fra marin bioprospektering (se Fig. 1). Et forbedret system for uttrykk av ekstreme enzymer vil gi store nasjonale og internasjonale ringvirkninger, og vil kunne føre til langt flere kommersielle produkter fra bioprospekteringen. Målet med dette prosjektet er å finne en produksjonsvert som er naturlig tilpasset det ekstreme miljøet, og som dermed passer bedre for å uttrykke kuldetilpassede (og andre ekstreme) enzymer. Vi har nylig identifisert en marin bakterie som en meget interessant kandidat for videre utvikling. De viktigste årsakene er at bakterien trives ved svært lave temperaturer (vekst optimum på 12-16 °C) og kan dyrkes helt ned til 0 °C), (ii) bakterien vokser raskt til høy optisk tetthet (>OD600=6), (iii) uttrykk av gener kan enkelt induseres ved å tilsette en syntetisk autoinduser, (iv) bakteriens genom er tilgjengelig (meget høy kvalitet), og (v) genetiske verktøy er tilgjengelige. Vi forventer i dette prosjektet å finne en ny produksjonsvert som vil bane vei for mer effektive uttrykk av enzymer som er tilpasset ekstreme miljø. En slik vert er etterspurt på markedet i dag, og flere selskaper (eksempelvis Life Technologies ) vil kunne ta produktet inn i sin portefølje og selge det videre til industri, forskning og diagnostikk.