Synthetic Biology of Cyanobacterial Cell Factories S.A. Angermayr Synthetic biology of cyanobacterial cell factories S. Andreas Angermayr Copyright © 2014 S. Andreas Angermayr Samenvatting Cyanobacteriën, prokaryote organismen die oxygene fotosynthese uit kunnen voeren, vormen een belangrijk phylum binnen het Domein van de Bacteria. In het evolutionaire proces van het ontstaan van leven op aarde hebben zij de elementaire bouwstenen aangeleverd waardoor nu ook algen en planten dit proces kunnen uitvoeren. Gedurende de afgelopen paar jaar heeft de toepassing van ‘metabole engineering’ en synthetische biologie in deze organismen een grote vlucht genomen, met als doel het toepassen van hun vermogen om lichtenergie om te zetten in biomoleculen. Echter, niet alleen de moderne microbiële biotechnologie, maar ook het fundamentele onderzoek in de levenswetenschappen, heeft veel profijt van de doorbraken op het gebied van de ‘genetische engineering’ en de synthetische biologie. Dankzij toepassing van deze methoden is ook ons inzicht in de moleculaire werking van de essentiële levensprocessen (i.e. adaptatie, reproductie en evolutie) sterk toegenomen. Het primaire doel van het werk gepresenteerd in dit proefschrift is om te leren begrijpen hoe de metabole omzettingen die uitgevoerd worden door cyanobacteriën benut kunnen worden voor de synthese van nuttige (koolstof-bevattende) verbindingen. Dit doel wordt nagestreefd door het eindproduct van een belangrijke metabole flux van zo’n organismen te koppelen aan een soort-vreemde metabole route, die dat intermediair van de cyanobacterie om kan zetten in een gewenst product. Hiermee wordt de energie uit zonlicht uiteindelijk vastgelegd in de chemische bindingen van het gevormde product. Essentieel voor het slagen van deze aanpak is het optimaliseren van de (eventueel kunstmatig samengestelde) syntheseroutes voor productvorming, die langs genetische weg in een cyanobacterie worden ingebracht. En omgekeerd levert het verder karakteriseren van deze metabole routes weer een bijdrage aan de ontwikkeling van nieuwe inzichten en hulpmiddelen (zoals bijvoorbeeld genetische expressiesystemen) voor de synthetische biologie van o.a. cyanobacteriën. Uiteindelijk wordt het langs deze weg misschien zelfs mogelijk om volledig nieuwe cyanobacteriën, die geoptimaliseerd zijn voor dit soort toepassingen, te ontwerpen. Hoofdstuk 1 van dit proefschrift stipt kort een aantal hoogtepunten uit de geschiedenis van de microbiële biotechnologie aan, waaruit duidelijk wordt dat de mensheid al heel lang micro-organismen - inclusief cyanobacteriën - toepast om diverse producten te kunnen maken. Met het beschikbaar komen van ‘recombinant DNA technologie’ werd het mogelijk dit scala van producten sterk uit te breiden. Het is ook dankzij de recombinant DNA technologie dat we tegenwoordig in staat zijn om biologische functionaliteiten, die uit heel verschillende organismen afkomstig kunnen zijn, in één en hetzelfde organisme te combineren. Hierdoor kunnen we fototrofe cyanobacteriën gebruiken als gastheer om met behulp van fermentatieroutes uit chemotrofe organismen, via ‘directe conversie’, koolstofbevattende energiedragers te laten synthetiseren. Het gebruik van CO2 maakt het op deze manier mogelijk om ‘koolstof-neutrale’ biobrandstoffen te maken. In hoofdstuk 2 wordt beschreven hoe Synechocystis genetisch aangepast kan worden, via het inbrengen van een gen coderend voor L-melkzuur dehydrogenase (L-LDH) uit de bodembacterie Bacillus subtilis, om het organisme L-melkzuur te laten produceren. Melkzuur wordt traditioneel gewonnen met behulp van melkzuurbacteriën uit (melk)suiker. Het kan gebruikt worden in een groot aantal toepassingen, waaronder de productie van bioplastics, als conserveringsmiddel en in de farmaceutische industrie. Verdere optimalisatie van de melkzuurproductie kan bereikt worden door een beter gebruik van de redox-equivalenten die door de oxygene fotosynthese beschikbaar komen in de vorm van NADPH. De co-expressie van het L-LDH met het oplosbare transhydrogenase gen uit Pseudomonas aeruginosa maakt dit mogelijk. Dit transhydrogenase enzym kan NADPH omzetten in NADH, het substraat waaraan L-LDH de voorkeur geeft. Het tot expressie brengen van verschillende niveaus van het L-LDH uit Lactococcus lactis in Synechocystis is beschreven in hoofdstuk 3. Dit kan bewerkstelligd worden door gebruik te maken van een set promotors met verschillende sterkte, zoals PrnpB, PpsbA2, and Ptrc. Hiermee worden stammen gecreëerd die elk een verschillende snelheid van melkzuurproductie laten zien. Door deze gegevens te combineren met metingen van de activiteit van het L-LDH enzym in cel-vrije extracten van deze set van stammen kan een zogenaamde ‘gevoeligheidsanalyse’ uitgevoerd worden. Deze analyse laat zien dat de controle op de snelheid van melkzuurproductie in deze stammen volledig ligt in de hoeveelheid van het heteroloog tot expressie gebrachte L-LDH. In hoofdstuk 4 wordt een aantal ‘ontwerpprincipes’ voor de constructie van een melkzuur over-producerende Synechocystis stam uitgetest. Verdere over-expressie (t.o.v. de resultaten beschreven in hoofdstuk 3) van het L-LDH bleek mogelijk tot een niveau waarop de relatieve toename in de snelheid van melkzuur productie niet meer proportioneel was met de relatieve hoeveelheid tot expressie gebrachte L-LDH enzymactiviteit in het cytoplasma van Synechocystis. Onder deze condities neemt de bijdrage van het L-LDH op de controle van de snelheid van melkzuurproductie af en wordt deze controle overgenomen door andere enzymen uit het metabole netwerk dat tot melkzuur productie leidt. Precies op dat punt wordt het mogelijk om een bijdrage waar te nemen van het ook tot expressie gebrachte enzym pyruvaat kinase, aan de snelheid van melkzuurproductie. Herverdeling van de koolstof-flux in de richting van melkzuur in het metabole netwerk van de cyanobacterie, via het uitschakelen van een stroom-opwaartse vertakkingsroute, bleek ook mogelijk, hoewel dat wel sterk ten koste ging van de maximale groeisnelheid van het recombinante organisme. Voortbouwend op het inzicht verkregen uit de experimenten die in hoofdstuk 2 zijn beschreven, is vervolgens geprobeerd direct gebruik te maken van de reductie-equivalenten van NADPH (wat aan de thylakoide membraan gesynthetiseerd wordt), door een melkzuur dehydrogenase enzym genetisch aan te passen zodat dit enzym een voorkeur heeft voor NADPH boven NADH (via zgn. plaats-gerichte mutagenese). Deze aanpassing van de specificiteit van het enzym leidde inderdaad tot verhoging van de productiesnelheid van melkzuur. Het uitschakelen van concurrerende reacties is één van de centrale concepten uit de metabole engineering. Metabole routes in de cel die aanleiding geven tot omzetting van gefixeerd CO2 in zgn. reservestoffen zoals glycogeen en poly-β-hydroxyboterzuur zijn voorbeelden van zulke concurrerende routes. Hoofdstuk 5 beschrijft de expressie van een melkzuur dehydrogenase in een stam die geen glycogeen meer kan maken. Onder omstandigheden waaronder het wild type organisme normaliter veel glycogeen maakt, leidt het gebruik van ingebracht gen inderdaad tot een verhoging van de snelheid van melkzuurproductie. In hoofdstuk 6 wordt de productie van de complementaire optische enantiomeer van L-melkzuur, i.e. D-melkzuur, door Synechocystis mogelijk gemaakt door een melkzuur dehydrogenase coderend gen in te brengen uit Leuconostoc mesenteroides. Opvallend is dat een dergelijk organisme tijdens zijn groei een tijdelijke fase laat zien waarin melkzuur netto opgenomen wordt, i.p.v. uitgescheiden. Dit komt doordat Synechocystis in staat is Dmelkzuur wel, en L-melkzuur niet, in het metabolisme in te sluizen. Hoofdstuk 7 geeft een overzicht van alle gepubliceerde data over productvorming uit CO2 in genetisch gemodificeerde cyanobacteriën. De hoogste productieniveaus zijn tot nu toe beschreven in zgn. batch-cultuur experimenten, voor de productie van korte-keten alcoholen en organische zuren die direct zijn afgeleid van centrale verbindingen uit het intermediair metabolisme van cyanobacteriën. Omdat meerdere producten kunnen worden gesynthetiseerd vanuit één en hetzelfde metabole intermediair, worden in dit hoofdstuk ook combinatiemogelijkheden van verschillende optimalisatiestrategieën besproken. Hoofdstuk 8 presenteert een optimalisatiestudie van 2,3-butaandiol productie met recombinante Synechocystis stammen. Heterologe expressie van combinaties van genen afkomstig uit melkzuur bacteriën, enterobacteriën en bacilli geeft aanleiding tot de vorming van een kunstmatig metabool pad dat aanleiding kan geven tot de vorming van een mengsel van acetoïne en 2,3-butaandiol. Deze laatstgenoemde verbinding is een korte-keten alcohol die zeer goed bruikbaar is als ‘drop-in’ brandstof. Ook kan deze verbinding omgezet worden in butanon, wat daarnaast bruikbaar is als oplosmiddel, en in butadieen (wat samen met styreen omgezet kan worden in synthetisch rubber). Het toevoegen van een gen dat codeert voor een oplosbaar transhydrogenase, alsook het gebruik van NADPH-specifieke reductases, leidt ook voor deze pathway tot hogere productiesnelheden, waarmee de resultaten uit de hoofdstukken 2 en 4 verder bevestigd worden. Door gebruik te maken van geminiaturiseerde reactoren (zgn.’ microfluidic devices’) kan de performance van individuele cellen met betrekking tot hun productiviteit van melkzuur geanalyseerd worden, en kunnen hoog-producerende stammen uit een mengsel van cellen geïsoleerd worden. Het gebruik van zo’n device, dat picoliter druppels kan vormen waarin maar één cel aanwezig is, is beschreven in hoofdstuk 9. De verkregen resultaten laten zien dat dit inderdaad mogelijk is met recombinante stammen met verschillende melkzuurproductie niveaus. Dezelfde techniek kan daarom in de toekomst mogelijk gebruikt worden om uit een collectie van mutanten de hoogst-producerende cellen te isoleren. Dit betekent een belangrijke uitbreiding van het arsenaal van methoden waarover een metabole engineer in de toekomst kan beschikken. Hoofdstuk 10 ‘duikt’ in de details van de fysiologie van Synechocystis. Hiervoor werd het organisme gekweekt in een geavanceerde foto-bioreactor, onder omstandigheden die relevant zijn voor de grootschalige toepassing van deze organismen voor biobrandstofproductie, i.e. onder een dag/nacht ritme, en met anaerobe condities in het donker. Uit de verkregen resultaten blijkt verrassenderwijs dat de hoeveelheid glycogeen die in de cel wordt opgeslagen suggereert dat de cel zich actief voorbereidt op de volgende daglicht periode. Uit de parallel gemeten gegevens over eiwit- en metabolietniveaus in de cel komt het beeld naar voren van een heel sterk gebalanceerde fysiologie in cellen van dit organisme, die sterk modererend werkt op de externe fluctuaties die door het (circa)diane ritme worden opgelegd. In hoofdstuk 11 worden de conclusies uit de afzonderlijke hoofdstukken van het proefschrift besproken in het licht van de algemene stand van zaken van de kennis uit de wetenschappelijke literatuur. Dat leidt tot de conclusie dat specifieke metabole engineeringsprincipes die in dit proefschrift besproken worden waarschijnlijk gebruikt kunnen worden om een nog veel groter palet aan waardevolle verbindingen met behulp van recombinante cyanobacteriën uit CO2 en (zon)licht te kunnen synthetiseren. Hiermee kan deze aanpak mogelijk haar economische levensvatbaarheid bewijzen. We mogen verwachten dat het beschikbaar komen van steeds meer, en nog efficiëntere, methoden binnen de synthetische biologie hierop nog een verder positief effect zal hebben.