Comparative Analysis of Optogenetic and Conventional Means for Controlling Cell Metabolism

Simple item page
dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorKakko, Natalia
dc.contributor.authorVirtala, Alexandra
dc.contributor.schoolKemiantekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorHiltunen, Eero
dc.date.accessioned2024-02-27T09:10:30Z
dc.date.available2024-02-27T09:10:30Z
dc.date.issued2024-02-16
dc.description.abstractMicroorganisms are commonly used as cell factories, but the production competes for resources with cell growth. To improve yields, it is possible to separate different phases for growth and production. One method for this has been using inducible promoters, but recently optogenetics has emerged to offer a more defined solution for the issue of cell factory efficiency. Inducible promoters are areas of DNA in the cell’s genome, to which the inducer molecules bind to, activating or repressing gene expression. Issues with inducible promoters include their price, possible toxicity and the relatively long half-lives of inducers compared to optogenetic approaches. Optogenetics uses light to induce gene expression. An opsin is a light-sensitive protein, that can be inserted to a cell’s genome with a vector to make the cell respond to a specific wavelength of light. Most opsins contain a molecular group, a chromophore, which is responsible for light-absorption and functions as a cofactor in reactions induced by light. Optogenetics offers a fast, cheap, highly tuneable and non-invasive strategy to control cell metabolism. Its challenges include phototoxicity, issues in cofactor availability and industrial scalability. This thesis was done as a literature review that compared inducible promoters and optogenetic methods as means to control cell metabolism, from the point of view of cell factories. Both methods were introduced and and their advantages and disadvantages were compared. The model organism used was Saccharomyces cerevisiae, due to its simple genome and fast reproductive cycle. Both inducible promoters and optogenetic approaches have shown abilities to improve production in literature, but there is very little research comparing the two approaches together. Implementing the use of optogenetic switches to industrial scale bioreactors presents a formidable challenge, and thus further studies are necessary to ensure the sufficient superiority of optogenetics over existing methods. This could be achieved through comparative studies, evaluating the production of a specific substance produced in similarly cultivated yeast cells using both optogenetic and chemically inducible strategies.en
dc.description.abstractMikro-organismeja hyödynnetään erilaisten biotuotteiden tuotannossa, mutta tuotanto kilpailee usein resursseista solun kasvun kanssa. Tuotannon saantoa voidaan parantaa vaikuttamalla solun metaboliaan, esimerkiksi erottamalla selkeästi toisistaan solun kasvu- ja tuotantovaiheet. Tähän on perinteisesti käytetty muun muassa indusoitavia promoottoreja, mutta viime vuosina optogeneettiset menetelmät ovat kehittyneet tarjoamaan uuden ratkaisun tuotannon tehostamisongelmiin. Indusoitavat promoottorit ovat solun perimän DNA-alueita, joiden avulla tietyn geenin transkriptio voidaan aktivoida tai estää lisäämällä promoottorialueelle sitoutuvaa indusoivaa molekyyliä. Menetelmää on käytetty onnistuneesti jo pitkään, mutta se pitää sisällään myös haasteita, kuten toksiset indusoijat tai sivutuotteet, indusoinnin epätarkkuus ja kemikaalien hinta. Myös valoa voidaan käyttää indusoimaan geenien ekspressiota. Optogenetiikka tutkii valoon reagoivien proteiinien vaikutusta solun toimintaan. Vektoreita käyttämällä on mahdollista siirtää valoherkkä proteiini, opsiini, kohdesolun genomiin, jolloin solu saadaan reagoimaan tiettyyn monokromaattisen valon aallonpituuteen. Tällöin opsiini toimii optogeneettisenä säätimenä (switch). Optogenetiikan etuja solutuotannon tehostamisessa ovat valon nopeus, tarkkuus ja halpa hinta, sekä systeemin ohjattavuus. Haasteita optogeneettisiin lähestymistapoihin aiheuttavat fototoksisuus, tarvittavan kofaktorin saatavuusongelmat ja tuotannon skaalautuvuus reaktoreissa, joissa solukerroksen paksuus haittaa valon läpäisevyyttä. Tässä kirjallisuuskatsauksena toteutetussa kandidaatintyössä vertaillaan solumetabolian kontrolloinnin tehokkuutta indusoitavilla promoottoreilla ja optogeneettisillä menetelmillä. Työssä esitellään muutamia kemiallisesti indusoitavia promoottoreita ja optogeneettisiä menetelmiä eri näkökulmista. Analyysi keskittyy Saccharomyces cerevisiae -hiivaan sen yksinkertaisen perimän ja nopean solunjakautumiskierron vuoksi. Vaikka sekä indusoitavilla promoottoreilla että optogeneettisillä menetelmillä on saavutettu parannuksia tuotantotehokkuuden mittareissa, on menetelmiä suoraan keskenään vertailevaa tutkimusta vähän. Jotta optogeneettiset säätimet voitaisiin tehokkaasti ottaa käyttöön teollisessa tuotannossa, olisi ensiarvoisen tärkeää saada selvää näyttöä tietyn aineen tuotannon tehokkuudesta samanlaisissa kasvuolosuhteissa viljellyissä hiivasoluissa, sekä indusoitavilla promoottoreilla että optogeneettisillä menetelmillä muunnetuissa soluissa.fi
dc.format.extent23
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/126829
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-202402272477
dc.language.isoenen
dc.programmeKemiantekniikan kandidaattiohjelmafi
dc.programme.majorBiotuotteetfi
dc.programme.mcodeCHEM3048fi
dc.subject.keywordcell factoriesen
dc.subject.keywordcell metabolismen
dc.subject.keywordoptogeneticsen
dc.subject.keywordinducible promotersen
dc.titleComparative Analysis of Optogenetic and Conventional Means for Controlling Cell Metabolismen
dc.typeG1 Kandidaatintyöfi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotBachelor's thesisen
dc.type.ontasotKandidaatintyöfi
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
Virtala_Alexandra_2024.pdf
Size:
1.09 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Download
Collections
[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM