可以對微生物進行改造，以生產各種有用的化合物，包括塑料，生物燃料和藥品。但是，在許多情況下，這些產品與細胞需要自我維持和生長的代謝途徑競爭。

為了幫助優(yōu)化細胞產生所需化合物的能力并保持其自身生長，麻省理工學院的化學工程師設計了一種方法，可以誘導細菌在不同時間在不同的代謝途徑之間進行切換。這些開關被編程到單元中，并由種群密度的變化觸發(fā)，無需人工干預。

亞瑟·D·利特爾(Arthur D. Little)化學教授Kristala Prather說：“我們希望這將允許對代謝進行更精確的調節(jié)，從而使我們獲得更高的生產率，但同時又可以最大程度地減少干預次數(shù)。”工程學和該研究的資深作者。

這種轉換使研究人員可以將兩種不同產品的微生物產量提高十倍。

麻省理工學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國家科學院院刊上發(fā)表。

雙開關

為了使微生物合成通常不產生的有用化合物，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生特定產物的反應鏈。現(xiàn)在，這種方法已用于生產許多復雜的產品，例如藥品和生物燃料。

在某些情況下，這些反應過程中產生的中間體也是細胞中已經存在的代謝途徑的一部分。當細胞將這些中間體轉移到工程途徑之外時，它會降低最終產品的總產量。

通過使用一種稱為動態(tài)代謝工程學的概念，Prather先前已經構建了可幫助細胞維持其自身代謝需求與產生所需產物途徑之間的平衡的開關。她的想法是對細胞進行編程，使其在途徑之間自動切換，而無需操作發(fā)生反應的發(fā)酵罐的人員進行任何干預。

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

麻省理工學院的研究小組改造了他們的大腸桿菌細胞，以分泌一種叫做AHL的群體感應分子。當AHL濃度達到一定水平時，細胞就會關閉一種酶，該酶會將葡糖二酸前體轉移到細胞自身的代謝途徑之一中。這使細胞能夠正常生長和分裂，直到種群大到足以開始產生大量所需產物為止。

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

在新的PNAS論文中，Prather和Dinh著手將多個切換點設計到其單元中，從而賦予他們對生產過程的更大程度的控制。為此，他們使用了兩種來自兩種不同細菌的群體感應系統(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，對健康有多種有益作用。

使用這些群體感應系統(tǒng)，研究人員將兩個切換點設計到了單元中。設計了一個開關來防止細菌將稱為丙二酰-CoA的柚皮素前體轉移到細胞自身的代謝途徑中。在另一個轉換點，研究人員推遲了其工程途徑中酶的產生，以避免積累過多的前體，而該前體通常會抑制柚皮苷途徑。

Dinh說：“由于我們從兩個不同的群體感應系統(tǒng)中提取了組件，并且調節(jié)蛋白在兩個系統(tǒng)之間是唯一的，因此我們可以獨立地改變每個電路的切換時間。”

研究人員創(chuàng)建了數(shù)百個大腸桿菌變體，以不同的種群密度執(zhí)行這兩個開關，從而使他們能夠識別出哪個生產力最高。與沒有內置這些??控制開關的菌株相比，表現(xiàn)最好的菌株顯示柚皮素產量增加了十倍。

更復雜的途徑

研究人員還證明，多開關方法可用于使大腸桿菌的水楊酸產量翻倍，而水楊酸是許多藥物的基礎。Prather說，該過程還可以幫助提高其他任何類型產品的產量，在這些產品中，細胞必須在使用中間體進行產品形成或自身生長之間取得平衡。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展到更復雜的途徑，并希望在將來進行更大的測試。

普拉瑟說：“我們認為它無疑具有更廣泛的適用性。” “該過程非常健壯，因為它不需要在特定時間到場的人來添加一些東西或對該過程進行任何調整，而是允許各個單元在內部進行跟蹤，以了解何時該做出改變。”