新工具告訴生物工程師何時建立微生物團隊
杜克大學的研究人員創(chuàng)建了一個框架,幫助生物工程師確定何時使用多個細胞系來制造產(chǎn)品。這項工作可以幫助各種使用細菌的行業(yè)生產(chǎn)從藥品到香水的化學品。該研究于2018年2月19日在線發(fā)表在“美國國家科學院院刊”上。
世界上每個細胞都在不斷吸收營養(yǎng)和原料,并將它們轉化為更有用的東西。通常該過程為細胞提供能量或一些其他重要的維生素或礦物質,同時留下可能對其他細胞有益的副產(chǎn)物。在復雜的多細胞生物和生態(tài)系統(tǒng)中尤其如此,其中幾種不同類型或種類的細胞可以一起產(chǎn)生單一復雜的最終產(chǎn)物。
自20世紀70年代以來,科學家一直在利用這些能力生產(chǎn)有用的物質,如人類生長激素,藥物,香料和生物燃料。為了簡單起見,大多數(shù)時候他們依靠單一類型的細胞進行這樣的努力。但有時這個過程變得太復雜了。
“通常當人們修改細胞來生產(chǎn)某些東西時,他們會使用單一種群,但是當你只使用一種細胞來做所有事情時,它可以處理的內容有一個上限,這就限制了你可以使用的復合物的復雜程度要求細胞制作,“研究生Ryan Tsoi說,他是杜克大學生物醫(yī)學工程專業(yè)的研究生,也是該論文的第一作者。“已經(jīng)探索了分割勞動力的多種細胞類型,但只是逐案研究。這是第一次系統(tǒng)研究什么情況使多種細胞系比一種更好。”
在這項研究中,Tsoi和他的顧問,Lingchong You,Duke的工程學副教授Paul Ruffin Scarborough,匯總了一個方程組來模擬這些類型系統(tǒng)中重要變量的相互作用。例如,他們可以模擬復雜任務對單細胞生長速率的影響,或者當細胞必須在分工方案中來回傳遞信號,酶和蛋白質時引入的低效率。
他們匯總了20多種不同的變體,如何構建這些系統(tǒng)以及它們如何相互作用。當他們運行模擬時,他們發(fā)現(xiàn)每個試驗都歸結為變量如何影響兩個因素 - 當兩種類型的細胞共享資源同時在它們之間運輸分子時,細胞能夠生長多快以及效率損失多少。
“這與研究人員在資助計劃或論文上合作的時間相當,”你說。“這是在你自己做多容易,與其他合作者合作的效率,以及在一天結束時合作的回報有多大的平衡。”
為了向前發(fā)展,Tsoi計劃使用新框架開發(fā)他計劃研究的新生物工程系統(tǒng)。他希望其他人也這樣做。
“所有這些參數(shù)都是可測量和可量化的,”Tsoi說。“我們的想法是,對于任何系統(tǒng),您都可以通過基礎實驗或教科書獲得所有這些參數(shù),將它們投入到這個數(shù)學模型中,不僅可以獲得是否使用分工的基本答案,還可以采取措施它對你的項目有多大幫助。“
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