微生物細胞工場

微生物細胞工場は、微生物細胞を生産施設とみなすバイオエンジニアリングのアプローチであり、その最適化プロセスは主に代謝工学に依存しています。^[1] MCFは、遺伝子操作された微生物や植物細胞である細胞工場の派生です。^{[2] 1980年代と1990年代に、MCFはもともと、}株のエンジニアリングを通じて細胞システムの生産性と代謝産物の収量を改善するために考案されました。^[3] MCFは、標的株の設計を通じてネイティブおよび非ネイティブの代謝産物を開発します。^[4]さらに、MCFは、生成物の分離の難しさを軽減しながら合成サイクルを短縮することができます。

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MCFが登場する前、科学者はさまざまな商品を生産するために伝統的な工学技術を採用していました。これらの方法論には、代謝経路の修正、酵素の除去、または代謝フラックスを促進するためのATPのバランス調整が含まれます。^[6]しかし、これらのアプローチが工業生産に適用されたとき、毒素と変動する温度からなる工業環境に耐えることができませんでした。^[6]最終的に、これらの技術はスケールアップできず、実験室で得られたバイオ製品を生産することができませんでした。^[7]

このように、MCFは微生物宿主における異種生合成経路を利用して開発されました。^[8]宿主として、MCFはさまざまな基質を取り込み、それらを貴重な化合物に変換します。^[9]これらの製品は、燃料、化学物質、食品成分から医薬品まで多岐にわたります。^[10]  

微生物細胞では、細胞壁はグラム陽性かグラム陰性のいずれかです。これらの結果はグラム染色試験に基づいています。グラム陽性細胞壁は厚いペプチドグリカン層を持ち、外側の脂質膜がありませんが、グラム陰性細菌は薄いペプチドグリカン層と外側の脂質膜を持っています。^[11]厚いグラム陽性細胞壁は有利ですが、ペプチドグリカン層が抗生物質や洗浄剤を吸収するため、攻撃されやすくなります。グラム陰性細胞壁はそのような攻撃に対してより耐性があり、破壊されにくいです。  

微生物細胞の膜はリン脂質でできた二重層構造です。^[12]リン脂質は鎖長から分岐までさまざまです。最終的に、リン脂質は流動性や電荷などの膜特性を決定し、近くのタンパク質との相互作用を制御します。さらに、膜は細胞の形態や細胞サイズの発達を監視します。^[13] 大腸菌は、 MCFの膜を区別し定義するための基準としてよく使用されます。^[14]

核様体は原核生物細胞内で不規則な形状の領域を形成し、複製に必要な遺伝物質のすべてまたは大部分を含みます。^[15]核様体はMCFの活動と、核様体自体および産物の複製を制御します。

MCFをプログラミングする現在の方法は、ランダム突然変異誘発に依存する株工学を利用しています。^[16]さらに、従来の技術は労働集約的で時間がかかり、分析が困難です。^{[16]このため、多くの科学的試験では、} ZFN、TALEN、CRISPRなどのゲノム編集ツールを使用してMCFを改良するようになりました。これらのアプローチにより、遺伝子操作と分析が可能になり、具体的にはゲノム配列内に二本鎖切断を作成できます。

ジンクフィンガーヌクレアーゼ（ZFN）は、あらゆるゲノム部位を標的にできる最初のゲノム編集ツールでした。ZFNは二本鎖切断を誘導することで、標的編集を容易にすることができます。しかし、MCFを強化するために使用した場合、ZFNの成功率は異常に低くなります。さまざまな試験で、ZFNは3本のフィンガーアレイを取得できなかったか、トリプレットを新しい配列に組み立てることができませんでした。^{[16] [17]}そのため、MCFへのZFNの組み込みは依然として困難でコストのかかる作業となっています。

転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼ（TALEN）はZFNと同様の働きをするが、TALENは融合タンパク質をベースにしている。TALENは酵母やゼブラフィッシュなど数多くのMCFに適用されている。^[18]多くの開発では、MCF用のヌクレアーゼ、活性化因子、リプレッサーを作成するために、液相合成TALENプラットフォームであるfairyTALEが検討されてきた。^[19] TALENはZFNよりも障害が少ないが、大量の反復配列をアレイに組み立てることが依然として大きな問題であるため、依然として厄介である。^[20]

クラスター化された規則的に間隔を置いた回文反復配列（CRISPR）とその関連タンパク質（Cas）は、その効率性と低コストのため、最も人気のあるゲノム編集ツールの1つになっています。CRISPR / CAS9は、MCFを強化して酵母、細菌、大腸菌を生成するために利用されています。^[21]酵母を最適化する場合、CRISPR / CAS9を促進するS.pyogenesが最も影響力のある戦略であることがわかりました。大腸菌の場合、特定の方法論に関係なく、ゲノム不安定性を防ぐ戦略が最も堅牢な代謝工学アプローチであることが研究で判明しています。^[21]

MCF の最も重要な利点は、制限が最小限で産業環境で利用できることです。代謝工学を通じて、MCF は効率的な生産のために代謝および遺伝子制御ネットワークの開発と最適化のための革新的な戦略的ツールに依存しています。^[22]研究室から大規模な開発に移行するには、製品の収量、生産性、製品の力価という 3 つの要素を考慮する必要があります。^[22]ただし、一般的なジレンマは、製品の収量と生産性のトレードオフです。企業が生産性を最大化すると、最終的には製品の収量が低下し、その逆も同様です。

この問題に対処するため、3つの要素すべてを最大化するための戦略が開発されてきました。最も一般的な技術の1つは、流加培養を利用することです。流加培養は、最も広い意味では、1つまたは複数の栄養素（基質）が培養中にバイオリアクターに供給（供給）され、生産物が実行の最後までバイオリアクター内に残るバイオテクノロジープロセスの操作技術として定義されます。^[23]もう1つの方法は、連続培養戦略を利用することです。連続培養の前提は、長期間にわたって定常状態の細胞代謝を維持することです。^[24] MCFに複数のアプローチを持つことで、企業は各プロセスを特定の製品に合わせてカスタマイズできます。

MCF の商業化は化学燃料からバイオ燃料まで多岐にわたります。