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Wie kann man mit FBA den besten Weg für Mikroorganismen finden, Industriechemikalien herzustellen?
In der Biochemie ist die Flussbilanzanalyse (FBA) eine mathematische Methode zur Simulation des Stoffwechsels von Zellen oder einzelligen Organismen wie Escherichia coli oder Hefe. Durch die genomweite Rekonstruktion des Stoffwechselnetzwerks kann FBA alle biochemischen Reaktionen in einem Organismus detailliert darstellen und Stoffwechselflüsse unter bestimmten Bedingungen berechnen. In der heutigen Biotechnologie-Community ist FBA zu einem wirksamen Instrument geworden, um die mikrobielle Produktion von Industriechemikalien zu erforschen und kann systematisch die besten Wege zur Herstellung pharmazeutisch oder industriell wichtiger Produkte ermitteln.
FBA bietet einen effizienteren und rationaleren Ansatz für die Modellierung des metabolischen Hintergrunds, da es viel weniger Eingabedaten erfordert als herkömmliche Methoden.
Grundprinzipien von FBA
Die Flussbilanzanalyse basiert auf den chemischen Reaktionen eines Stoffwechselnetzwerks und geht davon aus, dass das System in einem stationären Zustand ist, d. h., die Verhältnisse zwischen Produktion und Verbrauch sind ausgeglichen und bleiben im Laufe der Zeit konstant. Unter dieser Annahme kann der Stoffwechselprozess in einen Satz linearer Gleichungen vereinfacht werden und die optimale Stoffwechselflussverteilung kann durch lineare Programmiermethoden erreicht werden.
Historischer Hintergrund von FBA
Die FBA-Methode lässt sich bis in die 1980er Jahre zurückverfolgen, als der Forscher Papoutsakis die Möglichkeit demonstrierte, Stoffwechselkarten zur Konstruktion von Flussbilanzgleichungen zu verwenden, und Watson darüber hinaus die Idee vorschlug, lineare Programmierung zur Lösung von Pfadflüssen zu verwenden. Nachfolgende Forschungen förderten die Anwendung dieser Methode in der Biotechnik weiter.
Anwendung von FBA
FBA wird in der Bioprozesstechnik häufig eingesetzt, beispielsweise zur Verbesserung der Produktion von Industriechemikalien wie Alkohol und Schwefelsäure durch die systematische Suche nach möglichen Veränderungen in mikrobiellen Stoffwechselnetzwerken. Diese Methode ist nicht nur für die Produktionssteigerung von großer Bedeutung, sondern kann auch bei der Identifizierung von Wirkstofftargets für Krebs und pathogene Mikroorganismen hilfreich sein.
Mit FBA sind wir in der Lage, Modelle zu erstellen, um mikrobielles Wachstum und die Produktentwicklung in unterschiedlichen Umgebungen vorherzusagen.
Durchsatzanalysetechnologie
In der FBA sind Studien zur Reaktionslöschung und -störung eine gängige Technik, um die Kritikalität bestimmter Reaktionen im gesamten Stoffwechselnetzwerk zu untersuchen. Beispielsweise kann das Weglassen einzelner Reaktionen dabei helfen, festzustellen, welche Reaktionen für die Biomasseproduktion entscheidend sind. Weitere Untersuchungen dualreaktiver Deletionen könnten dazu beitragen, das Potenzial von Multi-Target-Medikamenten zu erkennen.
Optimierung von Wachstumsmedien
Durch die Verwendung einer phänotypischen Phasenebenenanalyse (PhPP) kann FBA iterativ in Modellen angewendet werden, um Einschränkungen der Nährstoffaufnahme anzupassen und so Wachstumsmedien zu optimieren, um die mikrobielle Wachstumsrate und Produktsekretion zu verbessern und so den industriellen Anforderungen gerecht zu werden.
Zukunftsaussichten
Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie und der Verbesserung der Rechenleistung wird FBA eine immer wichtigere Rolle in der mikrobiellen Stoffwechseltechnik spielen. Sie ist nicht auf aktuelle Anwendungen beschränkt, sondern hat das Potenzial, in neuen Generationen der biotechnologischen Forschung eine Schlüsselrolle zu spielen, insbesondere bei der Entwicklung neuer Biosynthesewege und biotechnologischer Produkte.
Wie kann FBA das Produkterzeugungspotenzial von Mikroorganismen im Voraus vorhersagen und optimieren und so die Produktion und Entwicklung von Industriechemikalien weiter vorantreiben?
