开发出控制微生物代谢的新方法

[所属分类:新闻动态] [发布时间:2019-12-4] [发布人:] [阅读次数:] [返回]

山东拓普生物工程有限公司

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通过对微生物进行改良，可以生产塑料、生物燃料、药品等各种有用的化合物。然而，在许多情况下，让微生物产生这些产物需要与细胞自身生长所需的代谢途径相竞争。为了优化细胞产生所需化合物的能力，同时又保持自身的生长，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的时间转换不同的代谢途径。这些“控制开关”被编辑进入细胞，并由种群密度的变化触发，无需人工干预。这种转换，让两种不同微生物产品的产量提高了十倍。

这项研究的主要作者、化学工程教授Kristala Prather说：“我们希望对代谢进行更精确的调节，从而获得更高的生产效率，同时又可以最大程度地减少干预。”

双开关

为了让微生物合成通常不会产生的有用化合物，工程师利用基因工程技术，插入参与代谢途径的酶的基因。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存在的代谢途径的一部分。当细胞将这些中间产物从工程途径中转移出去时，就会降低最终产物的总体产量。

利用动态代谢工程的概念，Prather之前已经构建了可平衡细胞自身代谢需求与产生所需产物途径之间的开关。她的想法是对细胞进行编辑，让细胞能自动在不同的代谢途径之间切换，而不需要操作发酵罐的人进行任何干预。

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。

在2017年发表的一项研究中，Prather的实验室使用这种方法对大肠杆菌进行基因编辑，使其产生葡萄糖酸。葡萄糖酸是尼龙和洗涤剂等产品的前体。该研究基于群体感应，群体感应（quorum sensing，QS）是一种细菌细胞用来相互交流的现象。细菌会分泌一种或者几种小分子量的化学信号分子，帮助它们感知周围的微生物，并影响彼此的行为。

麻省理工学院的研究小组对大肠杆菌细胞进行了改造，使其分泌一种叫做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，这种酶会将葡糖酸前体转移到细胞自身的代谢途径中。使细胞能够正常生长和分裂，直到种群足够大，并大量生产所需的产物。

Prather说：“那篇论文是第一个证明我们可以进行自主控制。我们可以开始培养，让细胞在适当的时候进行改变。

在新的PNAS论文中，Prather和Dinh在细胞中设计了多个开关点，让它们对生产过程有更大的控制权。他们使用了两种不同细菌的群体感应系统，将这些系统整合到大肠杆菌中，通过基因工程产生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，具有多种有益健康的功效。

利用这些群体感应系统，研究人员在细胞中设计了两个开关点。其中一个开关被设计用来防止细菌将一种叫做丙二酰辅酶A（malonyl-CoA）的柚皮素前体物质转移到细胞自身的代谢途径中。在另一个开关点，研究人员在他们的工程途径中推迟了一种酶的产生，以避免积累过多的前体，这种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成分，而且调节蛋白在两个系统中是独一无二的，所以我们可以独立地改变每个通路的切换时间。”

研究人员创建了数百种大肠杆菌工程菌，它们在不同的种群密度下执行这两个开关，从而使他们能够识别出哪个生产力最强。与没有内置这些控制开关的菌株相比，表现最好的工程菌株的柚皮素产量增加了十倍。

更复杂的路径

研究人员还证明了多开关方法可以使大肠杆菌产生的水杨酸增加一倍，而水杨酸是许多药物的组成部分。

Prather表示，该过程还可以帮助提高其他任何类型产品的产量，因为细胞必须在中间产物生成和自身生长之间取得平衡。研究人员还没有证明他们的方法在工业规模上有效，但他们正在努力将该方法扩展到更复杂的途径，并希望在未来进行更大规模测试试验。

Prather说：“我们认为它具有更广泛的适用性。这个过程非常稳定，因为它不需要有人在特定的时间点添加东西或对过程进行任何调整，而是允许细胞在内部跟踪何时需要进行转换。”