SynBio4Flav – przemysłowa produkcja flawonoidów dzięki biologii syntetycznej

Od stycznia 2019 roku w Katedrze Chemii realizowany jest projekt z programu Horyzont 2020 finansowany przez Komisję Europejską, zatytułowany „Synthetic microbial consortia-based platform for flavonoids production using synthetic biology”. Jest to pierwszy projekt H2020 typu badawczo-innowacyjnego (RIA) na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu i jednocześnie największy pod względem finansowym. Jego budżet wynosi blisko 7 370 000 euro, z czego 528 000 euro trafi na naszą uczelnię.

Projekt SynBio4Flav uzyskał finansowanie w ramach poddziałania „wiodąca pozycja w zakresie technologii wspomagających i przemysłowych – biotechnologia”, stąd też jego nadrzędnym celem jest opracowanie konkurencyjnego przemysłowego procesu otrzymywania flawonoidów, który stanie się motorem innowacji w wielu sektorach europejskiej gospodarki.

Flawonoidy to naturalne produkty pochodzenia roślinnego, będące powszechnymi składnikami diety. Wykazują wiele korzystnych skutków prozdrowotnych, między innymi chronią nas przed chorobami przewlekłymi i zwyrodnieniowymi, takimi jak nowotwory, choroby sercowo-naczyniowe, udary oraz zaburzenia czynności mózgu i układu odpornościowego. Zastosowania flawonoidów są różnorodne i dotyczą wielu gałęzi przemysłu. W sektorze spożywczym są szeroko stosowane jako naturalne barwniki i wzmacniacze smaku. Są również stosowane w przemyśle farmaceutycznym, w nutraceutykach, paszach oraz w przemyśle kosmetycznym. Jednym z poważniejszych ograniczeń przemysłowego zastosowania flawonoidów jest już sama ich dostępność, wynikająca ze stosunkowo wąskiego zakresu odpowiednich źródeł roślinnych, zwykle niskiej zawartości oraz bioróżnorodności utrudniającej procesy oczyszczania. W rezultacie, aby uzyskać nawet niewielkie ilości czystych związków, potrzebne są duże ilości biomasy roślinnej. Pomimo rosnącego popytu nie opracowano jeszcze opłacalnego procesu produkcji flawonoidów na drodze syntezy chemicznej, jak i metodami biotechnologicznymi.

Odpowiedzią na to wyzwanie jest projekt SynBio4Flav, który oferuje zupełnie nowe podejście do biotechnologicznej produkcji złożonych naturalnych związków chemicznych jakimi są flawonoidy. Celem projektu jest wdrożenie znormalizowanych rozwiązań alternatywnej względem roślin produkcji flawonoidów przez konsorcja zoptymalizowanych drobnoustrojów. Zamiast optymalizacji pojedynczego biokatalizatora całokomórkowego, co jest dotychczas podejściem najczęściej stosowanym w biologii syntetycznej, złożone ścieżki metaboliczne flawonoidów obecne w roślinach zostaną rozbite na mniejsze elementy i przeniesione do różnych mikroorganizmów, które razem stworzą jedno konsorcjum. Każdy z tych drobnoustrojów zostanie tak genetycznie zaprogramowany, aby zapewnić optymalną wydajność odpowiednich etapów biosyntezy. Oczekuje się, że to nowatorskie podejście da w efekcie znacznie lepszą wydajność i efektywność kosztową. SynBio4Flav zweryfikuje swoją technologię w środowisku przemysłowym, aby osiągnąć piąty poziom gotowości technologicznej (TRL5) w produkcji naturalnych i nowych naturalnych sfunkcjonalizowanych flawonoidów. Wymiernym efektem prac prowadzonych w ramach projektu będzie stworzenie biblioteki zoptymalizowanych i kompatybilnych systemów komórkowych (modułów) nadających się do zastosowania w nowych syntetycznych zespołach biologicznych. Modułowa konstrukcja procesu produkcyjnego umożliwi celowaną biosyntezę setek rozmaitych flawonoidów o pożądanych właściwościach biologicznych.

W projekcie, który będzie trwał 50 miesięcy uczestniczy jedenastu konsorcjantów, w tym sześć jednostek naukowych i pięciu partnerów przemysłowych. Funkcję koordynatora projektu pełni prof. Juan Nogales z Consejo Superior de Investigaciones Científicas w Madrycie, największej hiszpańskiej publicznej instytucji zajmującej się badaniami naukowymi.

W projekcie biorą udział specjaliści z zakresu biologii syntetycznej, biologii systemowej, inżynierii białek, biokatalizy, przedklinicznych badań na układach modelowych oraz powiększania laboratoryjnej skali fermentacji i bioprocesów do skali przemysłowej. Zespół uzupełniają partnerzy MŚP i przemysłowi będący liderami rynku produktów naturalnych, głównie nadających smak i zapach, oraz firma mająca duże doświadczenie w zakresie public relations.

Ze strony UPWr projekt realizuje zespół prof. Ewy Huszczy, który tworzą dr inż. Tomasz Tronina, dr inż. Jarosław Popłoński, dr inż. Sandra Sordon, dr inż. Aleksandra Wilczak oraz mgr inż. Kinga Sala. – Nasze duże doświadczenie w pracy na pograniczu biologii i chemii, w szczególności nad enzymatycznym i chemicznym „dekorowaniem” flawonoidów w kierunku podwyższania ich potencjału biologicznego, przyczyniło się do włączenia naszego zespołu jako partnera naukowego projektu. Nasze zadanie polega na opracowaniu wydajnych i selektywnych modułów funkcjonalizujących flawonoidy (drobnoustrojów z odpowiednio zaprogramowanymi szlakami biosyntezy), kompatybilnych z syntezującymi te związki konsorcjami mikroorganizmów, w oparciu o metody biologii syntetycznej. Otrzymane i zoptymalizowane moduły wykorzystane będą również jako osobne narzędzia do wydajnej produkcji szerokiego panelu modyfikowanych (np. glikozylowanych) flawonoidów. Otrzymane przez nas związki będą służyły jako wzorce w badaniach prowadzonych przez pozostałych członków projektu, a także zostaną poddane wszechstronnym badaniom biologicznym – tłumaczy szefowa zespołu badawczego prof. Ewa Huszcza, która dodaje, że realizacja powierzonych zadań wymagała utworzenia w Katedrze Chemii Zakładu Inżynierii Genetycznej, którym kieruje dr inż. Jarosław Popłoński.

Dzięki pozyskanym funduszom europejskim zakład wyposażono w najnowocześniejszą aparaturę pozwalającą na prowadzenie prac z zakresu biologii molekularnej i inżynierii genetycznej, a tym samym, realizowanie nowatorskich badań. Niekwestionowaną korzyścią wynikającą z uczestnictwa w projekcie SynBio4Flav jest również możliwość międzynarodowej współpracy, w tym prowadzenia badań w renomowanych jednostkach naukowych Europy. Dotychczas skorzystali z niej dr inż. Sandra Sordon i dr inż. Jarosław Popłoński, którzy u lidera projektu spędzili w sumie 7 miesięcy.

Projekt ma swoje konto na Twitterze, jego postępy można też śledzić na stronie internetowej SynBio4Flav.