基因工程微生物如細(xì)菌和酵母長(zhǎng)期以來(lái)被用作生產(chǎn)工廠來(lái)生產(chǎn)藥物和精細(xì)化學(xué)品。最近，研究人員開(kāi)始將細(xì)菌與半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合起來(lái)，類(lèi)似于屋頂上的太陽(yáng)能電池板，從光中收集能量，當(dāng)與微生物表面結(jié)合時(shí)，可以提高其生物合成潛力。

第一個(gè)“生物 - 無(wú)機(jī)混合系統(tǒng)”(生物雜化體)主要集中在大氣二氧化碳的固定和替代能源的生產(chǎn)上，雖然很有希望，但它們也揭示了關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。例如，迄今為止，由有毒金屬制成的半導(dǎo)體直接組裝在細(xì)菌細(xì)胞上，并且在此過(guò)程中經(jīng)常會(huì)損害它們。此外，最初關(guān)注固碳微生物將產(chǎn)品范圍限制在相對(duì)簡(jiǎn)單的分子中; 如果可以基于配備有更復(fù)雜代謝的微生物來(lái)生成生物雜化物，那么它將為生產(chǎn)可用于許多應(yīng)用的更大范圍的化學(xué)品開(kāi)辟新的途徑。

現(xiàn)在，在科學(xué)研究中，由哈佛大學(xué)生物啟發(fā)工程學(xué)院和John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的核心學(xué)院成員Neel Joshi和博士后研究員Junling Guo和MiguelSuástegui領(lǐng)導(dǎo)的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)介紹了適應(yīng)這些挑戰(zhàn)的高適應(yīng)性解決方案。

“雖然我們的策略在概念上建立在由我們的合作者Daniel Nocera和其他人設(shè)計(jì)的早期細(xì)菌生物混合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，但我們將概念擴(kuò)展到酵母 - 一種已經(jīng)是工業(yè)主力的生物體，并且在基因上易于操作 - 使用模塊化半導(dǎo)體組件為酵母的代謝機(jī)制提供生化能量而不會(huì)產(chǎn)生毒性，“Joshi博士說(shuō)，他是Wyss研究所的核心教員和SEAS的副教授。共同作者Nocera是哈佛大學(xué)的Patterson Rockwood能源教授。作為聯(lián)合操作的結(jié)果，酵母生產(chǎn)莽草酸的能力顯著增強(qiáng)，莽草酸是抗病毒藥物達(dá)菲的重要前體，其他幾種藥物，營(yíng)養(yǎng)保健品和精細(xì)化學(xué)品。

面包酵母釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)自然地產(chǎn)生莽草酸以產(chǎn)生一些用于合成蛋白質(zhì)和其他生物分子的構(gòu)建塊。然而，通過(guò)遺傳修飾酵母的中心代謝，研究人員使細(xì)胞能夠?qū)⑵渲饕獱I(yíng)養(yǎng)來(lái)源(糖葡萄糖)所含的更多碳原子匯集到產(chǎn)生莽草酸的途徑中，并防止碳流失到替代途徑中。破壞他們中的一個(gè)。

“原則上，莽草酸增加的'碳通量'應(yīng)該導(dǎo)致更高的產(chǎn)品水平，但在正常酵母細(xì)胞中，我們破壞以提高產(chǎn)量的替代途徑，重要的是，還提供了為莽草酸的最后一步提供燃料所需的能量。酸產(chǎn)量，“聯(lián)合第一作者M(jìn)iguelSuástegui博士說(shuō)，他是化學(xué)工程師，Joshi團(tuán)隊(duì)的前博士后研究員，現(xiàn)在是Joyn Bio LLC的科學(xué)家。為了提高碳更有效但耗能的工程化莽草酸途徑，“我們假設(shè)我們可以生成相關(guān)的能量攜帶分子NADPH，而不是采用光捕獲半導(dǎo)體的生物混合方法。”

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Suástegui與該研究的另一位共同對(duì)應(yīng)和共同第一作者，現(xiàn)在是Joshi實(shí)驗(yàn)室化學(xué)和材料科學(xué)經(jīng)驗(yàn)的博士后研究員Junling Guo博士合作。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種使用磷化銦作為半導(dǎo)體材料的策略。“為了使半導(dǎo)體元件真正模塊化和無(wú)毒，我們用天然多酚基”膠水“涂覆磷化銦納米顆粒，這使我們能夠?qū)⑺鼈兏街诮湍讣?xì)胞表面，同時(shí)使細(xì)胞與細(xì)胞絕緣。金屬的毒性，“郭說(shuō)。

當(dāng)束縛到細(xì)胞表面并被照射時(shí)，半導(dǎo)體納米粒子從光中收集電子(能量)并將它們交給酵母細(xì)胞，酵母細(xì)胞將它們穿過(guò)它們的細(xì)胞壁進(jìn)入它們的細(xì)胞質(zhì)。在那里，電子提升了NADPH分子的水平，現(xiàn)在可以為莽草酸生物合成提供燃料。“酵母生物雜交細(xì)胞，當(dāng)保存在黑暗中時(shí)，大多產(chǎn)生更簡(jiǎn)單的有機(jī)分子，如甘油和乙醇;但當(dāng)暴露在光線下時(shí)，它們很容易轉(zhuǎn)變?yōu)槊Р菟嵘a(chǎn)模式，產(chǎn)品水平提高了11倍，向我們展示從光進(jìn)入細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)移非常有效，“喬希說(shuō)。

“這種可擴(kuò)展的方法為未來(lái)的生物混合技術(shù)創(chuàng)造了一個(gè)全新的設(shè)計(jì)空間。在未來(lái)的努力中，半導(dǎo)體的性質(zhì)和基因工程酵母細(xì)胞的類(lèi)型可以以即插即用的方式變化，以擴(kuò)展制造工藝的類(lèi)型和范圍的生物制品，“郭說(shuō)。

“創(chuàng)造光捕獲，活細(xì)胞設(shè)備可以從根本上改變我們與自然環(huán)境互動(dòng)的方式，讓我們?cè)谀茉?，藥品和化學(xué)商品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面更具創(chuàng)造性和有效性，”Wyss Institute創(chuàng)始總監(jiān)說(shuō)。 Donald Ingber，醫(yī)學(xué)博士，博士，同時(shí)也是HMS血管生物學(xué)的Judah Folkman教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學(xué)項(xiàng)目，以及SEAS的生物工程教授。