A comprehensive platform for sustainable biosynthesis of rare natural products in Pichia pastoris
German project description
Pflanzliche Naturstoffe (NP) haben wesentlich zur Entdeckung von Arzneimitteln beigetragen, insbesondere für Krebs und Infektionskrankheiten. Ihr geringes Vorkommen in Pflanzen hat jedoch ihre Gewinnung eingeschränkt, während ihre chemische Synthese aufgrund der komplexen Struktur der NPs eine Herausforderung darstellt. Die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) schätzt, dass die weltweite Nahrungsmittelproduktion bis 2050 um 70 % bis 100 % gesteigert werden muss, wenn die Weltbevölkerung auf 9 Milliarden Menschen ansteigt (2 Milliarden zusätzliche Menschen auf dem Planeten innerhalb von 30 Jahren) (FAO, 2009). Als weitere Folge des Bevölkerungswachstums wird die Zahl der älteren Menschen zunehmen. Bis 2050 werden 130 Millionen Menschen an Osteoarthritis leiden (Mobasheri et al., 2019), die schmerzlindernde NP-Medikamente benötigen, und es werden 20 Millionen neue Krebsfälle auftreten, die NP-basierte Krebsmedikamente zur Behandlung benötigen.
Um verschiedene bioaktive NP-Verbindungen mit hoher Ausbeute zu erhalten und seltene NP in ausreichender Menge zu produzieren, muss das rückgekoppelte regulatorische Netzwerk, welches die Expression der Gene des Biosynthesewegs kontrolliert, gut verstanden werden. COMPLATn - COMprehensive PLATform for sustainable biosynthesis of NP - zielt darauf ab, die Hefe P. pastoris in die Lage zu versetzen, das optimierte Niveau pflanzlicher NPs als Alternative zur Natur zu synthetisieren. Zu diesem Zweck werden wir künstliche Regulatoren etablieren, um den Zeitpunkt und das Expressionsniveau der Enzyme des Biosynthesewegs in Gegenwart von Licht in Hefe zu kontrollieren. Wir werden auch eine kombinatorische Optimierungsstrategie entwickeln, um das optimale Expressionsniveau für die einzelnen Enzyme zu finden. Die Hefezellen, die die größtmögliche Menge an NP produzieren, werden mit biologischen Sensoren untersucht. Die Plattform wird mit komplementären automatischen Bioprozessen (zur Stabilisierung der Produktivität von NP) und tröpfchenbasierten Einzelzellanalysetechniken (zur Identifizierung der genetischen Identität der NP-Produzenten) kombiniert.
Als Konzeptnachweis werden wir COMPLATn für die nachhaltige Bioproduktion von Strictosidin einsetzen und Hefe als skalierbares System für die Produktion von mehr als 3.000 natürlichen NPs positionieren. Außerdem werden wir sie direkt in Hefe zu den niedermolekularen Krebsmedikamenten Catharanthin, Vindolin und Vinblastin umwandeln, was uns erlaubt, die Schlüsselbausteine in den langen Biosynthesewegen von Alkaloiden, einer wichtigen Gruppe von NPs, zu ermitteln. Die erfolgreiche Produktion der ausgewählten NPs in Hefe könnte neue Türen zur Entdeckung neuer pharmazeutischer Wirkstoffe öffnen.
English project description
Plant natural products (NPs) have significantly contributed to the drug discovery field, especially for cancer and infectious diseases. However, their low abundance in plants has limited their extraction, while their chemical synthesis is challenging due to the complex structure of NPs. The Food and Agricultural Organization of the United Nations has estimated that global food production must increase by 70%–100% by 2050, when the world population is predicted to reach 9 billion (2 billion additional people on the planet within 30 years) (FAO, 2009). As another consequence of population growth, the population of older people will increase. By 2050, 130 million people will have osteoarthritis (Mobasheri et al., 2019) demanding pain-relieving NP drugs, and 20 million new cancer cases will occur requiring NP-based anticancer agents for treatment.
To obtain diverse bioactive NP-derived compounds with high yields and to sufficiently produce rare NPs, the feedback regulatory network controlling the expression of the biosynthetic pathway genes must be well understood. COMPLATn - COMprehensive PLATform for sustainable biosynthesis of NP - aims to enable yeast P. pastoris to synthesize the optimized level of plant NPs as an alternative to nature. To this end, we will establish artificial regulators to control the time and expression level of biosynthetic pathway enzymes in the presence of light in yeast. We will also establish a combinatorial optimization strategy to discover the optimal expression level for the individual enzymes. The yeast cells producing the maximized amount of NP will be screened using biological sensors. The platform is united with complementary automatic bioprocessing (to stabilize the productivity of NPs) and droplet-based single-cell analysis techniques (to identify the genetic identity of NP producers). As a result, COMPLATn generates a huge dataset linking the genetic identity and productivity of the system to support the understanding of feedback regulation of NP biosynthetic pathways and the discovery of their key building blocks.
As a proof of concept, we will employ COMPLATn for sustainable biomanufacturing of strictosidine, positioning yeast as a scalable system to produce more than 3,000 natural NPs, and we will convert it to the anticancer small molecule drugs catharanthine, vindoline, and vinblastine directly in yeast, allowing us to find out the key building blocks in the long biosynthetic pathways of alkaloids, an important group of NPs.
Financer
DFG: Nachwuchsgruppe
Duration of project
Start date: 04/2024
End date: 03/2030
Research Areas
Biological Process Engineering
Research Areas
Synthetic Biology
