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新工具告訴生物工程師何時(shí)建立微生物團(tuán)隊(duì)

2019-04-27 15:38:15 ? 來源：

杜克大學(xué)的研究人員創(chuàng)建了一個(gè)框架，幫助生物工程師確定何時(shí)使用多個(gè)細(xì)胞系來制造產(chǎn)品。這項(xiàng)工作可以幫助各種使用細(xì)菌的行業(yè)生產(chǎn)從藥品到香水的化學(xué)品。該研究于2018年2月19日在線發(fā)表在“美國國家科學(xué)院院刊”上。

世界上每個(gè)細(xì)胞都在不斷吸收營養(yǎng)和原料，并將它們轉(zhuǎn)化為更有用的東西。通常該過程為細(xì)胞提供能量或一些其他重要的維生素或礦物質(zhì)，同時(shí)留下可能對(duì)其他細(xì)胞有益的副產(chǎn)物。在復(fù)雜的多細(xì)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(xì)胞可以一起產(chǎn)生單一復(fù)雜的最終產(chǎn)物。

自20世紀(jì)70年代以來，科學(xué)家一直在利用這些能力生產(chǎn)有用的物質(zhì)，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(shí)候他們依靠單一類型的細(xì)胞進(jìn)行這樣的努力。但有時(shí)這個(gè)過程變得太復(fù)雜了。

“通常當(dāng)人們修改細(xì)胞來生產(chǎn)某些東西時(shí)，他們會(huì)使用單一種群，但是當(dāng)你只使用一種細(xì)胞來做所有事情時(shí)，它可以處理的內(nèi)容有一個(gè)上限，這就限制了你可以使用的復(fù)合物的復(fù)雜程度要求細(xì)胞制作，“研究生Ryan Tsoi說，他是杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)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(dòng)力的多種細(xì)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(xì)胞系比一種更好。”

在這項(xiàng)研究中，Tsoi和他的顧問，Lingchong You，Duke的工程學(xué)副教授Paul Ruffin Scarborough，匯總了一個(gè)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(fù)雜任務(wù)對(duì)單細(xì)胞生長速率的影響，或者當(dāng)細(xì)胞必須在分工方案中來回傳遞信號(hào)，酶和蛋白質(zhì)時(shí)引入的低效率。

他們匯總了20多種不同的變體，如何構(gòu)建這些系統(tǒng)以及它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?。?dāng)他們運(yùn)行模擬時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)每個(gè)試驗(yàn)都?xì)w結(jié)為變量如何影響兩個(gè)因素 - 當(dāng)兩種類型的細(xì)胞共享資源同時(shí)在它們之間運(yùn)輸分子時(shí)，細(xì)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(jì)劃或論文上合作的時(shí)間相當(dāng)，”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(jié)束時(shí)合作的回報(bào)有多大的平衡。”

為了向前發(fā)展，Tsoi計(jì)劃使用新框架開發(fā)他計(jì)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(cè)量和可量化的，”Tsoi說。“我們的想法是，對(duì)于任何系統(tǒng)，您都可以通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)或教科書獲得所有這些參數(shù)，將它們投入到這個(gè)數(shù)學(xué)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(duì)你的項(xiàng)目有多大幫助。“

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