Президиум Российской академии наук
ПРИСУДИЛ
премию имени А.Н.Баха 2023 года
академику Владимиру Георгиевичу ДЕБАБОВУ
за цикл работ «Метаболическая инженерия Escherichia coli»
Постановление Президиума РАН от 11 апреля 2023 года № 80
академик В.Г. ДЕБАБОВ
«МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Escherichia coli»
Метаболическая инженерия это целенаправленное изменение генома организма с целью придания организму полезных свойств. Для таких действий нужно иметь знания о структуре генома и соответствующий инструментарий для реконструкции генома. Чем лучше изучен организм, тем больше шансов на успешное осуществление метаболической инженерии.
Бактерии Escherichia coli являются наиболее изученным организмом. На протяжении многих десятилетий эти бактерии служили модельным организмом для исследований в области генетики и молекулярной биологии, но не использовались в промышленности. Реальная возможность для осуществления метаболической инженерии возникла только с появлением методологии генной инженерии. В 80-х годах прошлого века под руководством В.Г. Дебабова учеными ГосНИгенетики методами генной инженерии был создан штамм Escherichia coli продуцент незаменимой аминокислоты L-треонина. В ходе работы был разработан метод клонирвания фрагментов бактериальной хромосомы на плазмидах впоследствии получивший в англоязычной литературе название «shot gun».Были открыты неизвестные ранее транспортера аминокислот из клетки в окружающую среду. До этих исследований были известны только системы транспорта из среды в клетку. В треониновом опероне были получены мутации снимающий ретроингибирование ферментов конечным продуктом (треонином). Клонирование мутантного оперона на многокопийных плазмидах с одновременным повышением экспрессии транспортера выкачивающего треонин из клетки привело к созданию штамма продуцента треонинана на порядок превышающего по продуктивности все известные до того штаммы. На этот штамм были получены международные патенты и лицензии на его использование были проданы в Словакию, Швецию и Японию. В конце 90-х годов японская фирма Аджиномото начала производство треонина на своем заводе во Франции. Это был первый в мире случай использования бактерий Escherichia coli в промышленном производстве. В настоящее время не только весь треонин в мире (более 500 тысяч тонн в год) но и значительные количества лизина, и ряд других продуктов получают с помощью бактерий Escherichia coli.
В настоящее время промышленность предпочитает использовать безплазмидные штаммы с целью повышения стабильности и безопасности процессов, следовательно, все изменения должны осуществляться на бактериальной хромосоме. Адекватным инструментарием для быстрых и точных генетических манипуляций является «рекомбиниринг» — сочетание использования синтетических олигонуклеотидов, реакций ПЦР и сайтспецифической и общей рекомбинации. Главными целями метаболической инженерии Escherichia coli на сегодня являются максимальное повышение конверсии субстрата в целевой продукт и расширение спектра синтезируемы метаболитов.
В последние годы в группе академика Дебабова сконструированы штаммы E.coli продуценты янтарной, фумаровой и пировиноградной кислот, 1- бутанола и оптически активной (Б)-З-гидроксимасляной кислоты. Штаммы обладают высоким уровнем конверсии (от 70 до 98 % от теоретического) и имеют потенциал для практического использования. В ходе исследований оптимизированы пути центрального метаболизма и создан платформенный штамм с перекрытыми путями побочных реакций. Изучена возможность использования обращенного пути бета-окисления жирных кислот для синтеза С4-С6 метаболитов. Найдены функции для двух открытых рамок считывания — это комплексы ацетил КоА дегидрогеназ.
Работа академика В.Г.Дебабова внесла весомый вклад в изучение метаболизма бактерий Escherichia coli и разработку инструментария метаболической инженерии. Исторической заслугой автора является внедрение бактерий Escherichia coli в мировое промышленное производство.
Список работ:
- Debabov V.G. The threonine story. Advances in Biochemistry and Biotechnology, 2003, 79, 113-136.
- V.G.Debabov, J.I.Kozlov, N.I.Zhadanova, E.M.Khurges, N.K.Yankovsky, M.N.Rozinov, R.S.Shakulov, B.A.Rebentish, V.A.Livshits, M.M.Gusyatiner, S.V.Mashko, V.N.Moshentseva, L.F.Kozyreva, R.A.Arsatiants. Method for preparing strains which produce aminoacids. US Patent 4.278.765
- Дебабов В.Г. Современные подходы к созданию штаммов промышленных микроорганизмов. Генетика, 2015, 51(1), 443-455.
- Skorokhodova A.Y., Gulevich A.Y., Debabov V.G. Engineering Escherichia coli for respire-fermentative production of puruvate from glucose under anoxic condition. Journal of Biotechnology, 2019, 293, 47-55. doi: 10.1016/j.jbiotec.2019.01.013
- Skorokhodova A.Y., Gulevich A.Y., Debabov V.G. Engineering Escherichia coli for efficient aerobic* conversion of glucose to fumaric acid. Biotechnology Reports, 2022, 33, e00703. doi: 10.1016/j.btre.2022.e00703
- Gulevich A.Y., Skorokhodova A.Y., Sukhozhenko A.V., Shakulov R.S., Debabov V.G. Metabolic engineering of Escherichia coli for 1-butanol biosynthesis through the inverted aerobic fatty acid p-oxidation pathway. Biotechnology Letters, 2012, 34, 463-469. doi: 10.1007/sl0529-011-0797-z
- Gulevich A.Y., Skorokhodova A.Y., Sukhozhenko A.V., Debabov V.G. Biosynthesis of enantiopure (S)-3-hydroxybutyrate from glucose through inverted fatty acid p-oxidation pathway by metabolically engineered Escherichia coli. Journal of Biotechnology, 2017, 244, 16-24. doi: 10.1016/j.jbiotec.2017.01.009
- Skorokhodova A.Y., Morzhakova A.A., Gulevich A.Y., Debabov V.G. Manipulating puruvate to acetyk-CoA cjnversion in Escherichia coli for anaerobic succinate biosynthesis from glucose with yield close to the stoichiometric maximum. Journal of Biotechnology, 2015, 214, 33-42. doi: 10.1016/j.jbiotec.2015.09.003
- Гулевич Ф.Ю., Скороходова А.Ю., Дебабов В.Г. Гены Escherichia coli ydiO и ydiQRST кодируют компоненты ацетил-КоА дегидрогеназного комплекса анаэробного пути Р-окисления жирных кислот. Генетика, 2016, 52(10), 1210-1214.