努力工作的細(xì)胞保持活力 懶惰的細(xì)胞死亡
圣路易斯華盛頓大學(xué)的一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)通過利用細(xì)胞的工作倫理,發(fā)現(xiàn)了一種改善生物燃料,藥物,材料和其他有用化學(xué)品生產(chǎn)的方法。由工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院能源,環(huán)境與化學(xué)工程助理教授張福忠領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn),遺傳上相同的微生物細(xì)胞具有不同的職業(yè)道德。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種工具,以確保硬工作單元繼續(xù)工作,并消除低性能單元。該研究發(fā)表在3月21日的Nature Chemical Biology上。
當(dāng)設(shè)計(jì)微生物來生產(chǎn)有用的化學(xué)物質(zhì)時(shí),來自同一祖先的細(xì)胞經(jīng)常以不同的方式執(zhí)行任務(wù)。使用大腸桿菌細(xì)菌的工程菌株,張的團(tuán)隊(duì)證明,只有一小部分細(xì)胞努力工作以產(chǎn)生所需的化學(xué)物質(zhì),而其他大多數(shù)細(xì)胞不滿意,但吃的是用于工作細(xì)胞的營養(yǎng)素。他們發(fā)現(xiàn),不同的工作倫理不是由非預(yù)期的基因突變引起的,而是由生物學(xué)中的“噪音”引起的,這種“噪音”在本質(zhì)上是固有的,不可能消除。
為了防止懶惰的細(xì)胞浪費(fèi)營養(yǎng),張的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為PopQC的質(zhì)量控制工具,可以保持勤奮,高效的細(xì)胞工作,同時(shí)消除低效細(xì)胞。該團(tuán)隊(duì)在細(xì)胞內(nèi)放置了一個(gè)傳感器,可以感知每個(gè)細(xì)胞正在做多少工作。如果傳感器確定細(xì)胞正在制造大量產(chǎn)品,傳感器將觸發(fā)控制器制造允許細(xì)胞存活和生長的蛋白質(zhì)。如果傳感器確定細(xì)胞不夠努力,它會(huì)保持沉默,懶惰的細(xì)胞因營養(yǎng)不足或抗生素被淘汰而死亡。
該團(tuán)隊(duì)將PopQC應(yīng)用于兩種大腸桿菌工程菌株:一種用于生產(chǎn)游離脂肪酸,一種生物燃料或其他大量化學(xué)品的前體; 還有一種用于生產(chǎn)酪氨酸的酪氨酸,酪氨酸是一種可以作為藥物前體的氨基酸。張說,PopQC允許硬化細(xì)胞在兩種培養(yǎng)物中占主導(dǎo)地位,并導(dǎo)致游離脂肪酸和酪氨酸的整體生產(chǎn)增加三倍。
“PopQC可以應(yīng)用于各種生物合成途徑和宿主生物,只要存在適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳈z測工程宿主中的產(chǎn)品,”張說。“因?yàn)樵肼暿巧飳W(xué)中的普遍問題,這項(xiàng)工作的設(shè)計(jì)原則應(yīng)該激勵(lì)許多其他領(lǐng)域的工程師提高工程系統(tǒng)的效率。”
張?jiān)诖髮W(xué)技術(shù)管理辦公室的協(xié)助下,已經(jīng)為設(shè)計(jì)原則提交了專利申請(qǐng)。
張的研究興趣集中在應(yīng)用合成生物學(xué)方法來開發(fā)微生物系統(tǒng),用于可持續(xù)生產(chǎn)具有確定結(jié)構(gòu)和可控性質(zhì)的生物燃料,化學(xué)品和材料。他還對(duì)開發(fā)工具感興趣,這些工具允許工程微生物合成目標(biāo)產(chǎn)品并更有效,更穩(wěn)健地執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)。
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