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控制微生物代谢的新方法

可以对微生物进行改造,以生产各种有用的化合物,包括塑料,生物燃料和药品。但是,在许多情况下,这些产品与细胞需要自我维持和生长的代谢途径竞争。

为了帮助优化细胞产生所需化合物的能力并保持其自身生长,麻省理工学院的化学工程师设计了一种方法,可以诱导细菌在不同时间在不同的代谢途径之间进行切换。这些开关被编程到单元中,并由种群密度的变化触发,无需人工干预。

控制微生物代谢的新方法

亚瑟·D·利特尔(Arthur D. Little)化学教授Kristala Prather说:“我们希望这将允许对代谢进行更精确的调节,从而使我们获得更高的生产率,但同时又可以最大程度地减少干预次数。”工程学和该研究的资深作者。

这种转换使研究人员可以将两种不同产品的微生物产量提高十倍。

麻省理工学院的研究生克里斯蒂娜·丁(Christina Dinh)是该论文的主要作者,该论文于本周在美国国家科学院院刊上发表。

双开关

为了使微生物合成通常不产生的有用化合物,工程师插入了代谢途径中涉及的酶的基因,代谢途径是一系列产生特定产物的反应链。现在,这种方法已用于生产许多复杂的产品,例如药品和生物燃料。

在某些情况下,这些反应过程中产生的中间体也是细胞中已经存在的代谢途径的一部分。当细胞将这些中间体转移到工程途径之外时,它会降低最终产品的总产量。

通过使用一种称为动态代谢工程学的概念,Prather先前已经构建了可帮助细胞维持其自身代谢需求与产生所需产物途径之间的平衡的开关。她的想法是对细胞进行编程,使其在途径之间自动切换,而无需操作发生反应的发酵罐的人员进行任何干预。

在2017年发表的一项研究中,普拉瑟实验室使用这种方法对大肠杆菌进行程序化生产葡糖二酸,后者是尼龙和洗涤剂等产品的前体。研究人员的策略基于群体感应,这种现象通常是细菌细胞之间相互交流的现象。每种细菌都会分泌特定的分子,从而帮助它们感知附近的微生物并影响彼此的行为。

麻省理工学院的研究小组改造了他们的大肠杆菌细胞,以分泌一种叫做AHL的群体感应分子。当AHL浓度达到一定水平时,细胞就会关闭一种酶,该酶会将葡糖二酸前体转移到细胞自身的代谢途径之一中。这使细胞能够正常生长和分裂,直到种群大到足以开始产生大量所需产物为止。

普拉瑟说:“那篇论文是第一个证明我们可以进行自主控制的论文。” “我们可以开始进行培养,然后细胞将在适当的时候进行改变。

在新的PNAS论文中,Prather和Dinh着手将多个切换点设计到其单元中,从而赋予他们对生产过程的更大程度的控制。为此,他们使用了两种来自两种不同细菌的群体感应系统。他们将这些系统整合到大肠杆菌中,并被工程化以生产一种名为柚皮苷的化合物,这是一种天然存在于柑橘类水果中的类黄酮,对健康有多种有益作用。

使用这些群体感应系统,研究人员将两个切换点设计到了单元中。设计了一个开关来防止细菌将称为丙二酰-CoA的柚皮素前体转移到细胞自身的代谢途径中。在另一个转换点,研究人员推迟了其工程途径中酶的产生,以避免积累过多的前体,而该前体通常会抑制柚皮苷途径。

Dinh说:“由于我们从两个不同的群体感应系统中提取了组件,并且调节蛋白在两个系统之间是唯一的,因此我们可以独立地改变每个电路的切换时间。”

研究人员创建了数百个大肠杆菌变体,以不同的种群密度执行这两个开关,从而使他们能够识别出哪个生产力最高。与没有内置这些​​控制开关的菌株相比,表现最好的菌株显示柚皮素产量增加了十倍。

更复杂的途径

研究人员还证明,多开关方法可用于使大肠杆菌的水杨酸产量翻倍,而水杨酸是许多药物的基础。Prather说,该过程还可以帮助提高其他任何类型产品的产量,在这些产品中,细胞必须在使用中间体进行产品形成或自身生长之间取得平衡。研究人员尚未证明他们的方法可以在工业规模上使用,但是他们正在努力将方法扩展到更复杂的途径,并希望在将来进行更大的测试。

普拉瑟说:“我们认为它无疑具有更广泛的适用性。” “该过程非常健壮,因为它不需要在特定时间到场的人来添加一些东西或对该过程进行任何调整,而是允许各个单元在内部进行跟踪,以了解何时该做出改变。”

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