可以對(duì)微生物進(jìn)行改造，以生產(chǎn)各種有用的化合物，包括塑料，生物燃料和藥品。但是，在許多情況下，這些產(chǎn)品與細(xì)胞需要自我維持和生長(zhǎng)的代謝途徑競(jìng)爭(zhēng)。

為了幫助優(yōu)化細(xì)胞產(chǎn)生所需化合物的能力并保持其自身生長(zhǎng)，麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程師設(shè)計(jì)了一種方法，可以誘導(dǎo)細(xì)菌在不同時(shí)間在不同的代謝途徑之間進(jìn)行切換。這些開(kāi)關(guān)被編程到單元中，并由種群密度的變化觸發(fā)，無(wú)需人工干預(yù)。

亞瑟·D·利特爾(Arthur D. Little)化學(xué)教授Kristala Prather說(shuō)：“我們希望這將允許對(duì)代謝進(jìn)行更精確的調(diào)節(jié)，從而使我們獲得更高的生產(chǎn)率，但同時(shí)又可以最大程度地減少干預(yù)次數(shù)。”工程學(xué)和該研究的資深作者。

這種轉(zhuǎn)換使研究人員可以將兩種不同產(chǎn)品的微生物產(chǎn)量提高十倍。

麻省理工學(xué)院的研究生克里斯蒂娜·丁(Christina Dinh)是該論文的主要作者，該論文于本周在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上發(fā)表。

雙開(kāi)關(guān)

為了使微生物合成通常不產(chǎn)生的有用化合物，工程師插入了代謝途徑中涉及的酶的基因，代謝途徑是一系列產(chǎn)生特定產(chǎn)物的反應(yīng)鏈。現(xiàn)在，這種方法已用于生產(chǎn)許多復(fù)雜的產(chǎn)品，例如藥品和生物燃料。

在某些情況下，這些反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的中間體也是細(xì)胞中已經(jīng)存在的代謝途徑的一部分。當(dāng)細(xì)胞將這些中間體轉(zhuǎn)移到工程途徑之外時(shí)，它會(huì)降低最終產(chǎn)品的總產(chǎn)量。

通過(guò)使用一種稱為動(dòng)態(tài)代謝工程學(xué)的概念，Prather先前已經(jīng)構(gòu)建了可幫助細(xì)胞維持其自身代謝需求與產(chǎn)生所需產(chǎn)物途徑之間的平衡的開(kāi)關(guān)。她的想法是對(duì)細(xì)胞進(jìn)行編程，使其在途徑之間自動(dòng)切換，而無(wú)需操作發(fā)生反應(yīng)的發(fā)酵罐的人員進(jìn)行任何干預(yù)。

在2017年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，普拉瑟實(shí)驗(yàn)室使用這種方法對(duì)大腸桿菌進(jìn)行程序化生產(chǎn)葡糖二酸，后者是尼龍和洗滌劑等產(chǎn)品的前體。研究人員的策略基于群體感應(yīng)，這種現(xiàn)象通常是細(xì)菌細(xì)胞之間相互交流的現(xiàn)象。每種細(xì)菌都會(huì)分泌特定的分子，從而幫助它們感知附近的微生物并影響彼此的行為。

麻省理工學(xué)院的研究小組改造了他們的大腸桿菌細(xì)胞，以分泌一種叫做AHL的群體感應(yīng)分子。當(dāng)AHL濃度達(dá)到一定水平時(shí)，細(xì)胞就會(huì)關(guān)閉一種酶，該酶會(huì)將葡糖二酸前體轉(zhuǎn)移到細(xì)胞自身的代謝途徑之一中。這使細(xì)胞能夠正常生長(zhǎng)和分裂，直到種群大到足以開(kāi)始產(chǎn)生大量所需產(chǎn)物為止。

普拉瑟說(shuō)：“那篇論文是第一個(gè)證明我們可以進(jìn)行自主控制的論文。” “我們可以開(kāi)始進(jìn)行培養(yǎng)，然后細(xì)胞將在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行改變。

在新的PNAS論文中，Prather和Dinh著手將多個(gè)切換點(diǎn)設(shè)計(jì)到其單元中，從而賦予他們對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的更大程度的控制。為此，他們使用了兩種來(lái)自兩種不同細(xì)菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)。他們將這些系統(tǒng)整合到大腸桿菌中，并被工程化以生產(chǎn)一種名為柚皮苷的化合物，這是一種天然存在于柑橘類水果中的類黃酮，對(duì)健康有多種有益作用。

使用這些群體感應(yīng)系統(tǒng)，研究人員將兩個(gè)切換點(diǎn)設(shè)計(jì)到了單元中。設(shè)計(jì)了一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)防止細(xì)菌將稱為丙二酰-CoA的柚皮素前體轉(zhuǎn)移到細(xì)胞自身的代謝途徑中。在另一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，研究人員推遲了其工程途徑中酶的產(chǎn)生，以避免積累過(guò)多的前體，而該前體通常會(huì)抑制柚皮苷途徑。

Dinh說(shuō)：“由于我們從兩個(gè)不同的群體感應(yīng)系統(tǒng)中提取了組件，并且調(diào)節(jié)蛋白在兩個(gè)系統(tǒng)之間是唯一的，因此我們可以獨(dú)立地改變每個(gè)電路的切換時(shí)間。”

研究人員創(chuàng)建了數(shù)百個(gè)大腸桿菌變體，以不同的種群密度執(zhí)行這兩個(gè)開(kāi)關(guān)，從而使他們能夠識(shí)別出哪個(gè)生產(chǎn)力最高。與沒(méi)有內(nèi)置這些??控制開(kāi)關(guān)的菌株相比，表現(xiàn)最好的菌株顯示柚皮素產(chǎn)量增加了十倍。

更復(fù)雜的途徑

研究人員還證明，多開(kāi)關(guān)方法可用于使大腸桿菌的水楊酸產(chǎn)量翻倍，而水楊酸是許多藥物的基礎(chǔ)。Prather說(shuō)，該過(guò)程還可以幫助提高其他任何類型產(chǎn)品的產(chǎn)量，在這些產(chǎn)品中，細(xì)胞必須在使用中間體進(jìn)行產(chǎn)品形成或自身生長(zhǎng)之間取得平衡。研究人員尚未證明他們的方法可以在工業(yè)規(guī)模上使用，但是他們正在努力將方法擴(kuò)展到更復(fù)雜的途徑，并希望在將來(lái)進(jìn)行更大的測(cè)試。

普拉瑟說(shuō)：“我們認(rèn)為它無(wú)疑具有更廣泛的適用性。” “該過(guò)程非常健壯，因?yàn)樗恍枰谔囟〞r(shí)間到場(chǎng)的人來(lái)添加一些東西或?qū)υ撨^(guò)程進(jìn)行任何調(diào)整，而是允許各個(gè)單元在內(nèi)部進(jìn)行跟蹤，以了解何時(shí)該做出改變。”