اهمیت انتقال مواد در تولید سلول

در مطالعه جدید منتشر شده درباره انتقال مواد در سلول، دانشمندان مرکز بنیاد Novo Nordisk در جهت پایداری زیست‌محیطی (DTU Biosustain) به بررسی چگونگی تأثیرگذاری حمل و نقل‌های مختلف غشاء سلولی بر تولید اسیدهای دی‌کربوکسیلیک پرداختند. در حال حاضر یکی از مهمترین مشکلات موجود در بیوتکنولوژی صنعتی این است که بخش زیادی از انرژی برای انتقال مواد سلول استفاده می‌شود که باعث کاهش عملکرد کلی تولید محصول می‌شود.

پروتئین‌های حمل کننده، مسئولیت حمل و نقل مولکول‌ها در غشاهای سلولی را بر عهده دارند. فرایندهای حمل و نقل برای رشد سلول و تولید متابولیت‌های سلول از نظر صنعتی بسیار مهم هستند. به‌طور معمول انتقال اسیدهای آلی سلول به انرژی زیادی نیاز دارد.

ایرینا بورودینا -محقق ارشد و رهبر گروه بنیاد زیست‌محیطی Novo Nordisk- می‌گوید: “اگر انرژی زیادی را برای انتقال مواد سلول اختصاص دهید، تولید ترکیبات سلول گران‌تر خواهد شد. بنابراین از دیدگاه صنعتی درک این مسئله که این پروتئین‌های حمل کننده چه نقشی دارند، بسیار مهم است.” 

دانشمندان دریافتند که برخی از حمل و نقل‌های سلول مانند انتقال MAE1 از Schizosaccharomyces pombe و DCT از Aspergillus carbonarius، ترشح اسیدهای دی‌کربوکسیلیک را در مخمرهای نانوایی تا چندین برابر بهبود بخشیده‌اند، در حالی که بر رشد سلولی تأثیر نمی‌گذارد. این مسئله برای محققان شگفت‌انگیز بود و باعث شد آن‌ها این سؤال را مطرح کنند که آیا چنین حمل و نقل‌هایی می‌توانند مکانیسمی داشته باشند که به آن‌ها امکان استفاده از انرژی کمتری را دهد یا خیر.

همچنین دانشمندان دریافتند که این انتقال‌دهنده‌های کارآمد متعلق به کانال‌های انتقال‌دهنده آنیونی و وابسته به ولتاژ (SLAC1) هستند که شامل حمل کننده‌های گیاهی درگیر در بسته شدن روزنه‌ها نیز می‌شوند. بر خلاف سایر انتقال دهنده‌های اسید دی‌کربوکسیلیک وابسته به پروتون، کانال‌های آنیون SLAC1 می‌توانند آنیون‌ها را تقریباً بدون صرف هزینه‌ایی برای انرژی حمل کنند.

به طور کلی دو انتقال‌دهنده از نوع SLAC1 با حداقل مصرف انرژی کار می‌کنند و این مطالعه به وضوح نشان می‌دهد که در هنگام مهندسی کارخانه‌های سلول باید انرژی مورد نیاز برای حمل و نقل مواد داخل سلول نیز در نظر گرفته شود.

مرحله بعدی شامل ساخت کتابخانه‌ای از کلیه اطلاعات حمل و نقل‌ها سلول، به اصطلاح transportomeها، برای پوشش‌دهی تمام 340 پروتئین حمل‌کننده در مخمر Saccharomyces cerevisiae است. به‌عنوان کمک مالی از شورای تحقیقات اروپا YEAST-TRANS، این امکان برای دانشمندان وجود دارد تا غربالگری و شناسایی حمل و نقل هر محصول مبتنی بر محصولات زیستی مورد نظر را ارزیابی کنند.

این دانش باعث توسعه کارآمدتر سویه می‌شود زیرا حرکت مولکول‌ها توسط حمل‌کننده‌های مختلف درون سلول و خارج از سلول تا حدی قابل کنترل است. درک عملکرد حمل و نقل نه تنها در زمینه بیوتکنولوژی صنعتی بلکه برای توسعه دارو ضروری است. اگر دارو توسط بافت یا اندام هدف ضعیف مصرف شود، عملکرد آن کاهش می‌یابد. علاوه بر این، اگر در بافت‌ها یا اندام‌های غیر هدف جمع شود، عوارض جانبی ایجاد می‌کند.

در آینده، اگر دانشمندان موفق به کسب دانش بیشتری در مورد حمل و نقل مولکول‌های کوچک شوند، قادر خواهند بود پیش‌بینی‌های بهتری در مورد حمل و نقل کاندیداهای مواد مخدر در بدن انجام دهند و از این امر برای پیشرفت دقیق‌تر دارو استفاده کنند.