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化学工程师促进细菌生产有用的化学品

发布时间:2018-05-15 点击量:18

em麻省理工学院的一个化学工程师小组设计了一种新技术,通过关闭细胞内竞争性的代谢途径,可以显着提高细菌产生有用的化学物质。 / em

在出现在2月13日的Nature Biotechnology杂志上的一篇论文中,研究人员表明他们可以显着提高glucaric acid的产量,glucaric acid是一种化学物质,是尼龙和清洁剂等产品的前体。研究人员说,这种基因开关也可以很容易地转换成产生其他产品的细菌。

“我们可以设计微生物细胞以产生来自单糖的许多不同的化学物质,但细胞宁愿使用这些糖来生长和繁殖。我们面临的挑战是设计一个系统,在这个系统中,我们得到足够的增长,拥有一个富有成效的微生物'化学工厂',但不是太多,以至于我们无法将足够多的糖分送入制造大量目标分子的途径,“Kristala说。 Prather,麻省理工学院化学工程副教授,该研究的资深作者。

该论文的第一作者是麻省理工学院研究生Apoorv Gupta。其他作者是前麻省理工学院研究生,现任Rose-Hulman Institute of Technology助理教授的Irene Brockman Reizman,和前麻省理工学院博士后Christopher Reisch,他现在是佛罗里达大学的助理教授。

一个动态开关

几十年来,科学家一直在操纵微生物的基因,使他们产生大量的产品,如胰岛素或人类生长激素。通常这可以通过简单地添加所需产物的基因或增加现有基因的表达来实现。

最近,研究人员一直试图设计微生物来生成更复杂的产品,包括制药和生物燃料。这通常需要添加几种编码催化整个合成的每个步骤的酶的基因。

在很多情况下,这种方法还需要关闭细胞中已经存在的竞争途径。然而,这种关闭的时机非常重要,因为如果竞争途径对细胞生长是必需的,将其关闭限制了种群大小,并且细菌不会产生足够的所需化合物。

Prather的实验室以前曾设计过大肠杆菌通过添加三个基因来产生葡萄糖酸,每个基因来自酵母,小鼠和称为丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae)的细菌菌株。使用这三种基因,细菌可以将称为葡萄糖-6-磷酸的化合物转化为葡糖二酸。然而,葡萄糖-6-磷酸也是关键代谢途径中的中间产物,其分解葡萄糖并将其转化为需要生长和繁殖的能量细胞。

为了产生大量的葡萄糖酸,研究人员必须想出一种方法来关闭葡萄糖分解途径,使葡萄糖-6-磷酸转移到其替代代谢途径中。然而,他们不得不仔细计时关闭,以便细胞群体足够大以产生大量的葡糖二酸。更重要的是,他们希望不添加任何新化学品或以任何方式改变工艺条件。

Gupta说:“这个想法是在生产过程的中途自主阻止细胞的生长,这样他们才能真正将所有可用的葡萄糖聚焦到葡萄糖酸生产中。”

为了实现这一目标,研究人员利用了称为群体感应(quorum sensing)的现象,这种现象被许多种细菌用于协调基因调控以响应其人口密度。

除了添加葡萄糖酸生产的基因之外,研究人员还设计了每个细胞以产生一种合成称为AHL的小分子的蛋白质。细胞将这种分子分泌到它们的环境中,并且当细胞周围的浓度达到某一点时,它会激活开关,使所有细胞停止产生称为磷酸果糖激酶(Pfk)的酶,其是葡萄糖分解途径的一部分。随着这种酶转向

葡萄糖-6-磷酸积累并转移到产生葡糖二酸的替代途径中。通过构建一个以不同速率产生AHL的细胞库,研究人员可以确定触发Pfk关闭的最佳时机。

研究人员使用这种开关,每升细菌混合物能够产生约0.8克葡萄糖酸,而设计生产葡萄糖酸但没有代谢开关的细胞几乎不产生任何代谢开关。

替代途径

这种类型的开关也应该适用于其他工程化的代谢途径,因为遗传回路可以用于关闭其他基因。

为了证明这种多功能性,研究人员用一种代谢途径测试了他们的方法,该途径产生了一种叫做莽草酸的分子,这种分子是几种不同氨基酸的前体,也是包括流感药物达菲在内的一些药物的成分。他们使用AHL群体感应分子关闭了一种酶,这种酶将氨基酸合成途径中的莽草酸进一步移动,使莽草酸在细胞中积聚。没有开关,细胞就不能积累任何莽草酸。

“本文展示了动态调节途径通量的巨大潜力,尤其是这里开发的法定群体感应系统,该系统可以在不同条件下精确调节外来途径,包括实验室和工业领域。因此,在动态代谢工程条件下进一步投资更多的高附加值产品是非常重要的,“清华大学微生物学和生物材料教授陈国强说,他没有参与这项研究。

麻省理工学院团队现在正在制定策略,以设置多层自主控制,允许他们关闭一条通道,同时打开另一条通道。

该研究由美国国家科学基金会,美国国家卫生研究院和美国农业部资助。

发表:Apoorv Gupta等人,“Dynamic regulation of metabolic flux in engineered bacteria using a pathway-independent quorum-sensing circuit,”Nature Biotechnology(2017)doi:10.1038 / nbt.3796

来源:麻省理工学院新闻Anne Trafton