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Come utilizzare l'FBA per individuare il percorso migliore affinché i microrganismi producano sostanze chimiche industriali?
In biochimica, l'analisi del bilancio di flusso (FBA) è un metodo matematico per simulare il metabolismo delle cellule o degli organismi unicellulari come l'Escherichia coli o il lievito. Grazie alla ricostruzione della rete metabolica dell'intero genoma, l'FBA è in grado di descrivere in dettaglio tutte le reazioni biochimiche che avvengono in un organismo e di calcolare i flussi metabolici in condizioni specifiche. Nell'attuale comunità biotecnologica, l'FBA è diventato uno strumento efficace per individuare la produzione microbica di sostanze chimiche industriali e può identificare sistematicamente i percorsi migliori per la produzione di prodotti di importanza farmaceutica o industriale.
FBA fornisce un approccio più efficiente e semplificato per la modellazione del background metabolico perché richiede molti meno dati di input rispetto ai metodi tradizionali.
Principi fondamentali di FBA
L'analisi del bilancio dei flussi si basa sulle reazioni chimiche di una rete metabolica e presuppone che il sistema sia in uno stato stazionario, ovvero che i tassi tra produzione e consumo siano bilanciati e rimangano costanti nel tempo. Sulla base di questa ipotesi, il processo metabolico può essere semplificato in un insieme di equazioni lineari e la distribuzione ottimale del flusso metabolico può essere ottenuta attraverso metodi di programmazione lineare.
Contesto storico di FBA
Il metodo FBA può essere fatto risalire agli anni '80, quando il ricercatore Papoutsakis dimostrò la possibilità di utilizzare mappe metaboliche per costruire equazioni di bilancio dei flussi, e Watson propose ulteriormente l'idea di utilizzare la programmazione lineare per risolvere i flussi dei percorsi. Ricerche successive hanno ulteriormente promosso l'applicazione di questo metodo nella bioingegneria.
Applicazione di FBA
L'FBA è stato ampiamente utilizzato nell'ingegneria dei bioprocessi, ad esempio per migliorare la produzione di prodotti chimici industriali come alcol e acido solforico, individuando sistematicamente potenziali modifiche nelle reti metaboliche microbiche. Questo metodo non solo è di grande importanza per aumentare la produzione, ma può anche fornire supporto per l'identificazione di bersagli farmacologici per il cancro e per i microrganismi patogeni.
Con FBA siamo in grado di creare modelli per prevedere la crescita microbica e la generazione di prodotti in diversi ambienti.
Tecnologia di analisi della produttività
Nell'FBA, gli studi di eliminazione e perturbazione delle reazioni sono tecniche comuni per esplorare la criticità di reazioni specifiche nell'intera rete metabolica. Ad esempio, l'eliminazione di singole reazioni può aiutare a determinare quali reazioni sono critiche per la produzione di biomassa. Ulteriori indagini sulle delezioni a doppia reattività potrebbero aiutare a identificare il potenziale dei farmaci multi-target.
Ottimizzazione dei terreni di coltura
Utilizzando l'analisi del piano di fase fenotipico (PhPP), l'FBA può essere applicata in modo iterativo nei modelli per regolare i vincoli di assorbimento dei nutrienti, ottimizzando così i terreni di coltura per migliorare il tasso di crescita microbica e la secrezione del prodotto, soddisfacendo così le esigenze industriali.
Prospettive future
Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia e il miglioramento della potenza di calcolo, l'FBA svolgerà un ruolo sempre più importante nell'ingegneria metabolica microbica. Non si limita alle applicazioni attuali, ma ha il potenziale per svolgere un ruolo chiave nelle nuove generazioni di ricerca biotecnologica, in particolare nella progettazione di nuovi percorsi biosintetici e prodotti biotecnologici.
Come può l'FBA prevedere e ottimizzare in anticipo il potenziale di generazione di prodotti dei microrganismi e promuovere ulteriormente la produzione e lo sviluppo di prodotti chimici industriali?
