โรงงานเซลล์จุลินทรีย์ (Microbial cell factory: MCF)เป็นแนวทางหนึ่งในวิศวกรรมชีวภาพที่พิจารณา เซลล์ จุลินทรีย์เป็นโรงงานผลิต โดยกระบวนการเพิ่มประสิทธิภาพส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับวิศวกรรมเมตาบอลิซึม [ ^{1 ] MCF}เป็นอนุพันธ์ของโรงงานเซลล์ ซึ่งเป็นจุลินทรีย์และเซลล์พืชที่ได้รับการดัดแปลง ทางวิศวกรรม ^{[ 2 ]}ในช่วงทศวรรษ 1980 และ 1990 MCF ถูกคิดค้นขึ้นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตของระบบเซลล์และผลผลิตเมตาบอไลต์ผ่านวิศวกรรมสายพันธุ์^{[ 3 ]} MCF พัฒนาเมตาบอไลต์ดั้งเดิมและเมตาบอไลต์ที่ไม่ใช่ดั้งเดิมผ่านการออกแบบสายพันธุ์เป้าหมาย^{[ 4 ​​]}นอกจากนี้ MCF ยังสามารถลดระยะเวลาการสังเคราะห์ในขณะที่ลดความยากลำบากในการแยกผลิตภัณฑ์

^{[ 5 ]}

ก่อนที่จะมี MCF นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีการทางวิศวกรรมแบบดั้งเดิมในการผลิตสินค้าโภคภัณฑ์ต่างๆ วิธีการเหล่านี้รวมถึงการปรับเปลี่ยนเส้นทางการเผาผลาญการกำจัดเอนไซม์ หรือการปรับสมดุล ATP เพื่อขับเคลื่อนการไหลเวียนของการเผาผลาญ^{[ 6 ]}อย่างไรก็ตาม เมื่อนำวิธีการเหล่านี้ไปใช้ในการผลิตในระดับอุตสาหกรรม พวกมันไม่สามารถทนต่อสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่มีสารพิษและอุณหภูมิที่ผันผวนได้^{[ 6 ]}ในที่สุด เทคนิคเหล่านี้ก็ไม่สามารถขยายขนาดและผลิตผลิตภัณฑ์ชีวภาพได้เทียบเท่ากับที่ได้จากการทดลองในห้องปฏิบัติการ^{[ 7 ]}

ดังนั้น MCF จึงได้รับการพัฒนาโดยใช้เส้นทางการสังเคราะห์ทางชีวภาพที่หลากหลายในโฮสต์จุลินทรีย์^{[ 8 ]}ในฐานะโฮสต์ MCF จะรับสารตั้งต้น ต่างๆ และแปลงเป็นสารประกอบที่มีค่า^{[ 9 ]}ผลิตภัณฑ์เหล่านี้มีตั้งแต่เชื้อเพลิง สารเคมี ส่วนผสมอาหาร ไปจนถึงยา^{[ 10 ]}

ในเซลล์จุลินทรีย์ผนังเซลล์จะเป็นแกรมบวกหรือแกรมลบ ผลลัพธ์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับการทดสอบการย้อมสีแกรมผนังเซลล์แกรมบวกมี ชั้น เพปติโดไกลแคน หนา และไม่มีเยื่อไขมันชั้นนอก ในขณะที่แบคทีเรียแกรมลบมีชั้นเพปติโดไกลแคนบางและมีเยื่อไขมันชั้นนอก^{[ 11 ]}แม้ว่าผนังเซลล์แกรมบวกที่หนาจะเป็นข้อดี แต่ก็ถูกโจมตีได้ง่ายกว่า เนื่องจากชั้นเพปติโดไกลแคนดูดซับยาปฏิชีวนะและผลิตภัณฑ์ทำความสะอาด ผนังเซลล์แกรมลบมีความทนทานต่อการโจมตีดังกล่าวมากกว่าและทำลายได้ยากกว่า

เยื่อหุ้มเซลล์ของจุลินทรีย์เป็นชั้นคู่ที่ประกอบด้วยฟอสโฟลิปิด [ ^{12 ] ฟ}อสโฟลิปิดอาจมีความยาวของสายโซ่ไปจนถึงการแตกแขนง ในที่สุด ฟอสโฟลิปิดจะเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของเยื่อหุ้มเซลล์ เช่น ความลื่นไหลและประจุ ซึ่งจะควบคุมปฏิสัมพันธ์กับโปรตีนที่อยู่ใกล้เคียง นอกจากนี้ เยื่อหุ้มเซลล์ยังควบคุมการพัฒนาของรูปร่างและขนาดของเซลล์^{[ 13 ]} Escherichia coliมักถูกใช้เป็นเกณฑ์พื้นฐานในการจำแนกและกำหนดเยื่อหุ้มเซลล์ของ MCF ^{[ 14 ]}

นิวคลีออยด์ก่อตัวเป็นบริเวณที่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอภายใน เซลล์ โปรคาริโอตซึ่งมีสารพันธุกรรมทั้งหมดหรือส่วนใหญ่เพื่อการสืบพันธุ์^{[ 15 ]}นิวคลีออยด์ควบคุมกิจกรรมของ MCF และการสืบพันธุ์ของตัวมันเองและผลิตภัณฑ์

วิธีการเขียนโปรแกรม MCF ในปัจจุบันใช้วิศวกรรมสายพันธุ์ ซึ่งอาศัยการกลายพันธุ์แบบสุ่ม^{[ 16 ]}นอกจากนี้ เทคนิคแบบดั้งเดิมยังต้องใช้แรงงานมาก ใช้เวลานาน และวิเคราะห์ได้ยาก^{[ 16 ]}สิ่งนี้ทำให้มีการทดลองทางวิทยาศาสตร์มากมายที่ใช้เครื่องมือแก้ไขจีโนมเพื่อปรับปรุง MCF เช่นZFNs , TALENsและCRISPRวิธีการเหล่านี้ช่วยให้สามารถจัดการและวิเคราะห์ทางพันธุกรรมได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสร้างการแตกของสายคู่ภายในลำดับจีโนม

นิวคลีเอสแบบซิงค์ฟิงเกอร์ (ZFNs) เป็นเครื่องมือแก้ไขจีโนมตัวแรกที่สามารถกำหนดเป้าหมายไปยังตำแหน่งจีโนมใดก็ได้ โดยการเหนี่ยวนำให้เกิดการแตกของสายคู่ ZFNs สามารถอำนวยความสะดวกในการแก้ไขแบบกำหนดเป้าหมายได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อนำมาใช้เพื่อเสริมความแข็งแรงให้กับ MCFs ZFNs มีอัตราความสำเร็จต่ำผิดปกติ ในการทดลองต่างๆ ZFNs ไม่สามารถสร้างอาร์เรย์สามนิ้วหรือไม่สามารถประกอบสามนิ้วนั้นเข้าเป็นลำดับใหม่ได้^{[ 16 ] [ 17 ]}ดังนั้น การรวม ZFNs เข้ากับ MCFs จึงยังคงเป็นเรื่องยากและมีค่าใช้จ่ายสูง

เอนไซม์นิวคลีเอสที่มีฤทธิ์คล้ายตัวกระตุ้นการถอดรหัส (TALENs) ทำงานในลักษณะคล้ายกับ ZFNs แต่ TALENs ใช้โปรตีนฟิวชั่นเป็นพื้นฐาน TALENs ถูกนำไปใช้กับ MCFs หลายชนิด เช่น ยีสต์และปลาซีบราฟิช^{[ 18 ]}มีการพัฒนามากมายที่สำรวจ fairyTALE ซึ่งเป็นแพลตฟอร์ม TALEN สังเคราะห์เฟสของเหลว เพื่อสร้างเอนไซม์นิวคลีเอส ตัวกระตุ้น และตัวยับยั้งสำหรับ MCFs ^{[ 19 ]}แม้ว่า TALENs จะมีอุปสรรคน้อยกว่า ZFNs แต่ก็ยังคงมีปัญหาอยู่ เนื่องจากการประกอบซ้ำจำนวนมากเข้าเป็นอาร์เรย์ยังคงเป็นปัญหาสำคัญ^{[ 20 ]}

CRISPR (Clustered regularly interspaced palindromic repeats) และโปรตีนที่เกี่ยวข้อง (Cas) ได้กลายเป็นหนึ่งใน เครื่องมือ แก้ไขจีโนม ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด เนื่องจากประสิทธิภาพและต้นทุนต่ำ CRISPR/CAS9 ถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุง MCF ให้ผลิตยีสต์ แบคทีเรีย และ E.coli ^{[ 21 ]}เมื่อทำการปรับปรุงยีสต์พบว่า CRISPR/CAS9 ที่ส่งเสริม S.pyogenes เป็นกลยุทธ์ที่มีอิทธิพลมากที่สุด สำหรับ E.coli การศึกษาพบว่ากลยุทธ์การป้องกัน ความไม่เสถียรของจีโนมเป็นแนวทางวิศวกรรมเมตาบอลิซึมที่แข็งแกร่งที่สุดโดยไม่คำนึงถึงวิธีการเฉพาะ^{[ 21 ]}

ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของ MCF คือความสามารถในการใช้งานในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมโดยมีข้อจำกัดน้อยที่สุด MCF อาศัยเครื่องมือเชิงกลยุทธ์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ในการพัฒนาและเพิ่มประสิทธิภาพเครือข่ายการควบคุมเมตาบอลิซึมและยีนเพื่อการผลิตที่มีประสิทธิภาพผ่านทางวิศวกรรมเมตาบอลิซึม^{[ 22 ]}การเปลี่ยนจากห้องปฏิบัติการไปสู่การพัฒนาในระดับใหญ่ต้องพิจารณาปัจจัยสามประการ ได้แก่ ผลผลิตของผลิตภัณฑ์ ประสิทธิภาพการผลิต และความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์^{[ 22 ]}อย่างไรก็ตาม ปัญหาที่พบบ่อยคือการแลกเปลี่ยนระหว่างผลผลิตของผลิตภัณฑ์และประสิทธิภาพการผลิต หากบริษัทเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตให้สูงสุด ในที่สุดพวกเขาก็จะลดผลผลิตของผลิตภัณฑ์ลง และในทางกลับกัน

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ได้มีการพัฒนากลยุทธ์เพื่อเพิ่มปัจจัยทั้งสามให้สูงสุด หนึ่งในเทคนิคที่พบได้บ่อยที่สุดคือการใช้การเพาะเลี้ยงแบบเฟดแบตช์ (fed-batch culture ) การเพาะเลี้ยงแบบเฟดแบตช์ในความหมายกว้างที่สุด หมายถึงเทคนิคการดำเนินงานในกระบวนการทางชีวเทคโนโลยีที่สารอาหาร (สารตั้งต้น) อย่างน้อยหนึ่งชนิดถูกป้อน (จัดหา) ให้กับไบโอรีแอคเตอร์ในระหว่างการเพาะเลี้ยง และผลิตภัณฑ์จะยังคงอยู่ในไบโอรีแอคเตอร์จนกว่าจะสิ้นสุดการทำงาน^{[ 23 ]}อีกวิธีหนึ่งคือการใช้กลยุทธ์การเพาะเลี้ยงแบบต่อเนื่อง หลักการเบื้องหลังการเพาะเลี้ยงแบบต่อเนื่องคือการรักษาสภาวะสมดุลของการเผาผลาญของเซลล์ในช่วงระยะเวลานาน^{[ 24 ]}ด้วยการมีแนวทางที่หลากหลายสำหรับ MCF บริษัทต่างๆ สามารถปรับแต่งแต่ละกระบวนการให้เหมาะกับผลิตภัณฑ์เฉพาะของตนได้

การนำ MCF ไปใช้ในเชิงพาณิชย์มีหลากหลายรูปแบบ ตั้งแต่ทางเคมีไปจนถึงเชื้อเพลิงชีวภาพ