基因工程酵母菌將成生物製品高效工廠 太陽也能在其中出一份力

(圖源：ScienceDaily)

基因工程微生物，如細菌和酵母，長期以來一直被用作生產藥物和精細化學品的活工廠。

最近，研究人員開始將細菌與半導體技術相結合，這種技術類似於屋頂上的太陽能電池板，可以從光中獲取能量，當與微生物的表面結合時，可以提高它們的生物合成潛力。

第一個「生物-無機混合系統」(biohybrids)主要集中於固定大氣二氧化碳和生產替代能源，儘管很有希望，但也揭示了關鍵的挑戰。

例如，迄今為止，由有毒金屬製成的半導體都被直接裝配在細菌細胞上，並在此過程中對其造成傷害。

此外，最初對碳固定微生物的關注限制了產物的範圍，使其局限於相對簡單的分子;如果能夠在微生物的基礎上創造出具有更複雜代謝功能的「生物-無機混合系統」，它將為生產更大範圍的化學製品開闢新的道路，這些化學製品對許多應用都很有用。

現在,在《科學》雜誌上的一項研究中,一個多學科小組由哈佛大學Wyss生物工程研究所、John A. Paulson工程與應用科學學院的核心教員Neel Joshi、博士後研究人員Junling Guo和Miguel Suástegui組成，他們提供了一個高度靈活的解決這些挑戰的方法。

「我們的策略在概念上建立在早期的細菌生物混合系統之上，這是我們的合作者Daniel Nocera和其他人設計的，我們將這一概念擴展到酵母——一種已經成為工業機器的有機體，並且在基因上易於操作——並採用模塊化半導體元件，它為酵母菌的代謝機制提供生化能量，而不產生毒性。」Joshi博士說，他是Wyss研究所的核心教員和海洋研究所的副教授。

合著者Nocera是哈佛大學Patterson Rockwood能源教授。

通過聯合操作，酵母產生莽草酸(shikimic acid)的能力得到了顯著提高，莽草酸是抗病毒藥物達菲(Tamiflu)的重要前體，還有其他幾種藥物、保健品和精細化學品。

麵包師的酵母屬釀酒酵母自然地產生莽草酸，以產生一些構建模塊的蛋白質和其他生物分子的合成。

然而，通過對酵母的中心代謝進行基因改造，研究人員使細胞能夠將其主要營養來源——糖葡萄糖——所包含的更多碳原子導入產生莽草酸的途徑，並通過干擾其中一個途徑防止碳流失到其他途徑。

「原則上,對莽草酸的碳供應量的增加理應導致更高的產品水平,但在正常的酵母細胞中，另一種我們為了增加產量而破壞了的途徑，也很重要地提供了為莽草酸生產的最後一步提供燃料所需的能量。」共同第一作者Miguel Suastegui博士說，他是Joshi團隊的化學工程師和前博士後研究員，現在是Joyn Bio LLC公司的科學家。

為了促進更有效的碳排放但耗盡了能量的工程莽草酸途徑，「我們假設我們可以另外生成相關的攜帶能量分子NADPH，採用生物-無機混合系統，利用聚光半導體。」

為了實現這一目標，Suastegui與該研究的另一位共同通訊作者兼第一作者Junling Guo博士合作，Junling Guo博士目前是Joshi實驗室中具有化學和材料科學經驗的博士後研究員。他們設計了一種使用磷化銦作為半導體材料的策略。

Guo教授說:「為了使這種半導體元件真正模塊化且無毒，我們在銦磷化納米粒子上塗上了一種天然的多酚基『膠水』，這使得我們可以將它們附著在酵母細胞表面，同時將細胞與金屬的毒性隔離開來。」

當連接到細胞表面並被照亮時，半導體納米粒子從光中獲取電子(能量)並將其傳遞給酵母細胞，酵母細胞將電子穿過細胞壁進入細胞質。

在那裡，電子提高了NADPH分子的水平，現在可以為莽草酸的生物合成提供燃料。

「酵母生物雜交細胞在黑暗中保存時，主要產生更簡單的有機分子，如甘油和乙醇;但是當暴露在光線下，它們很容易進入莽草酸生產模式，產品含量增加了11倍，這向我們展示了光向細胞傳遞能量的效率。」

這種可擴展的方法為未來的生物混合技術創造了一個全新的設計空間。

在未來的努力中，半導體的性質和基因工程酵母細胞的類型可以以一種即插即用的方式改變，以擴大製造工藝的類型和生物產品的範圍。

「光能採集、活細胞設備的發明可以從根本上改變我們與自然環境互動的方式，讓我們在能源、藥物和化學商品的設計和生產中更有創造性和更有效。」Wyss Institute創始董事唐納德·英格伯(Donald Ingber)博士說。

他也是美國哈佛大學哈佛醫學院的血管生物學教授，波士頓兒童醫院的血管生物學項目教授，以及海洋生物工程教授。

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