努力工作的细胞保持活力懒惰的细胞死亡

圣路易斯华盛顿大学的一个工程师团队通过利用细胞的工作伦理，发现了一种改善生物燃料，药物，材料和其他有用化学品生产的方法。由工程与应用科学学院能源，环境与化学工程助理教授张福忠领导的研究小组发现，遗传上相同的微生物细胞具有不同的职业道德。该团队开发了一种工具，以确保硬工作单元继续工作，并消除低性能单元。该研究发表在3月21日的Nature Chemical Biology上。

当设计微生物来生产有用的化学物质时，来自同一祖先的细胞经常以不同的方式执行任务。使用大肠杆菌细菌的工程菌株，张的团队证明，只有一小部分细胞努力工作以产生所需的化学物质，而其他大多数细胞不满意，但吃的是用于工作细胞的营养素。他们发现，不同的工作伦理不是由非预期的基因突变引起的，而是由生物学中的“噪音”引起的，这种“噪音”在本质上是固有的，不可能消除。

为了防止懒惰的细胞浪费营养，张的团队开发了一种名为PopQC的质量控制工具，可以保持勤奋，高效的细胞工作，同时消除低效细胞。该团队在细胞内放置了一个传感器，可以感知每个细胞正在做多少工作。如果传感器确定细胞正在制造大量产品，传感器将触发控制器制造允许细胞存活和生长的蛋白质。如果传感器确定细胞不够努力，它会保持沉默，懒惰的细胞因营养不足或抗生素被淘汰而死亡。

该团队将PopQC应用于两种大肠杆菌工程菌株：一种用于生产游离脂肪酸，一种生物燃料或其他大量化学品的前体; 还有一种用于生产酪氨酸的酪氨酸，酪氨酸是一种可以作为药物前体的氨基酸。张说，PopQC允许硬化细胞在两种培养物中占主导地位，并导致游离脂肪酸和酪氨酸的整体生产增加三倍。

“PopQC可以应用于各种生物合成途径和宿主生物，只要存在适当的传感器检测工程宿主中的产品，”张说。“因为噪声是生物学中的普遍问题，这项工作的设计原则应该激励许多其他领域的工程师提高工程系统的效率。”

张在大学技术管理办公室的协助下，已经为设计原则提交了专利申请。

张的研究兴趣集中在应用合成生物学方法来开发微生物系统，用于可持续生产具有确定结构和可控性质的生物燃料，化学品和材料。他还对开发工具感兴趣，这些工具允许工程微生物合成目标产品并更有效，更稳健地执行复杂任务。

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