微生物經(jīng)過基因工程改造后可用于生產(chǎn)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(chǎn)品的合成需要與維持微生物生長的代謝途徑競爭。

為了優(yōu)化微生物生產(chǎn)所需化合物的能力、同時(shí)維持其自身生長，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種方法，可以誘導(dǎo)細(xì)菌在不同時(shí)間在不同的代謝途徑之間進(jìn)行切換。這種轉(zhuǎn)換開關(guān)被插入到細(xì)胞基因組中，由微生物種群密度的變化觸發(fā)，無需人工干預(yù)。利用這種轉(zhuǎn)換，研究人員可以將兩種不同的微生物產(chǎn)物的產(chǎn)量提高十倍。文章發(fā)表在PNAS上。麻省理工學(xué)院的研究生Christina Dinh是該論文的主要作者。Kristala Prather教授是通訊作者。

為了使微生物能合成生產(chǎn)我們需要的有用化合物——原本正常情況下細(xì)菌不產(chǎn)生的化合物，研究人員往往會(huì)在微生物基因組中插入特定的酶基因——產(chǎn)生所需產(chǎn)物的代謝途徑中的酶的基因。這種方法已用于生產(chǎn)許多復(fù)雜的產(chǎn)品，例如藥品和生物燃料。

在某些情況下，這些反應(yīng)過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，正好也是細(xì)胞自身代謝途徑的中間產(chǎn)物。當(dāng)細(xì)胞將這些中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)途徑之外時(shí)，自然就會(huì)降低產(chǎn)品的總產(chǎn)量。

通過利用一種稱為動(dòng)態(tài)代謝工程學(xué)的概念，Prather先前已經(jīng)構(gòu)建了可幫助細(xì)胞維持其自身代謝需求與產(chǎn)生所需產(chǎn)物途徑之間的平衡的開關(guān)。她的想法是對(duì)細(xì)胞進(jìn)行基因工程改造，使其在兩種途徑之間自動(dòng)切換，而無需操作人員進(jìn)行任何干預(yù)。

在2017年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，Prather實(shí)驗(yàn)室使用這種方法改造大腸桿菌以生產(chǎn)葡萄糖二酸，后者是尼龍和洗滌劑等產(chǎn)品的前體。研究人員的策略是基于群體感應(yīng)——這通常是細(xì)菌細(xì)胞之間相互交流的現(xiàn)象：每種細(xì)菌都會(huì)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。當(dāng)時(shí)研究小組改造了大腸桿菌細(xì)胞，以分泌一種叫做AHL的群體感應(yīng)分子。當(dāng)AHL濃度達(dá)到一定水平時(shí)，細(xì)胞就會(huì)關(guān)閉一種酶——該酶會(huì)將葡萄糖二酸前體轉(zhuǎn)移到細(xì)胞自身的代謝途徑之中。這種改造使細(xì)胞能夠正常生長和分裂，直到細(xì)菌群體密度大到足以開始產(chǎn)生大量所需產(chǎn)物時(shí)即轉(zhuǎn)換到進(jìn)行生產(chǎn)。Prather說：“那篇論文是第1個(gè)證明我們可以讓細(xì)菌進(jìn)行自主控制的論文。。。我們可以在開始時(shí)培養(yǎng)增殖細(xì)胞，然后將在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候細(xì)胞自動(dòng)轉(zhuǎn)換到生產(chǎn)途徑。

在新的PNAS論文中，Prather和Dinh著手將兩個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計(jì)到大腸桿菌細(xì)胞中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的geng精細(xì)程度的控制。

他們使用了兩種來自不同細(xì)菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)，將這些系統(tǒng)整合到大腸桿菌中，并用于生產(chǎn)一種名為柚皮苷的化合物，柚皮苷是一種天然存在于柑橘類水果中的類黃酮，對(duì)健康有多種有益作用。

研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)來防止細(xì)菌將丙二酰-CoA——柚皮素前體轉(zhuǎn)移到細(xì)胞自身的代謝途徑中，另一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)用于延遲生產(chǎn)途徑中一種酶的產(chǎn)生，以避免積累過多的前體，而該前體通常會(huì)抑制柚皮苷途徑。

Dinh說：“由于我們采用了來自兩個(gè)不同的群體感應(yīng)系統(tǒng)中的不同成分，并且調(diào)節(jié)蛋白在兩個(gè)系統(tǒng)之間都是唯1的，因此我們可以獨(dú)li地改變每個(gè)途徑的切換時(shí)間。”

研究人員構(gòu)建了數(shù)百個(gè)大腸桿菌變異體，可以不同的種群密度執(zhí)行這兩個(gè)開關(guān)，從而使他們能夠識(shí)別出哪個(gè)生產(chǎn)力高。與沒有內(nèi)置這些??控制開關(guān)的菌株相比，表現(xiàn)好的菌株顯示柚皮素產(chǎn)量增加了十倍。

geng復(fù)雜的途徑

研究人員還證明，多轉(zhuǎn)換開關(guān)的方法可用于使大腸桿菌工程菌的水楊酸產(chǎn)量翻倍，而水楊酸是許多藥物的基礎(chǔ)。Prather說，該方法還可以幫助提高其他任何涉及細(xì)胞自身使用中間產(chǎn)物的產(chǎn)品生產(chǎn)。不過，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(kuò)展到geng復(fù)雜的途徑，并希望在將來進(jìn)行g(shù)eng大的測試。

Kristala Prather教授說：“我們希望可以對(duì)代謝進(jìn)行g(shù)eng精que的調(diào)節(jié)，從而獲得geng高的生產(chǎn)率，但同時(shí)又可以大程度地減少干預(yù)數(shù)量。。。我們認(rèn)為新系統(tǒng)無疑具有g(shù)eng廣泛的適用性。。。該系統(tǒng)非常強(qiáng)大，因?yàn)樗恍枰谔囟〞r(shí)間現(xiàn)場添加什么或?qū)υ撨^程進(jìn)行任何調(diào)整，而是讓微生物細(xì)胞在內(nèi)部進(jìn)行跟蹤，以了解何時(shí)該 轉(zhuǎn)換到生產(chǎn)