一种控制微生物代谢的新方法

微生物可以被改造成各种有用的化合物，包括塑料、生物燃料和药物。然而，在许多情况下，这些产品与细胞自身生长所需的代谢途径相竞争。

为了帮助优化细胞产生所需化合物的能力，同时又能保持自身的生长，麻省理工学院的化学工程师们设计了一种方法来诱导细菌在不同的时间转换不同的代谢途径。这些开关被编程进入细胞，并由人口密度的变化触发，不需要人工干预。

“我们希望,这将允许更精确的调节新陈代谢,让我们获得更高的生产率,但在某种程度上,我们尽量减少干预,“说Kristala普莱瑟,Arthur d .小化学工程教授和这项研究的资深作者。

这种转换使研究人员能够将两种不同产品的微生物产量提高10倍。

这篇论文发表在本周的《美国国家科学院院刊》上。

双开关

为了让微生物合成它们通常不会产生的有用化合物，工程师们插入了参与代谢途径的酶的基因——这是产生特定产物的一系列反应。这种方法现在被用于生产许多复杂的产品，如药品和生物燃料。

在某些情况下，在这些反应中产生的中间体也是细胞中已经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之前已经建立了帮助细胞在自身代谢需求和产生所需产物的途径之间保持平衡的开关。她的想法是让细胞自动地在不同的途径之间切换，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，Prather的实验室使用这种方法对大肠杆菌进行编程，使其产生葡萄糖酸，这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，这是一种细菌细胞通常用来相互交流的现象。每一种细菌都会分泌特定的分子，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他们的大肠杆菌细胞进行了改造，使其分泌一种称为AHL的群体感应分子。当AHL浓度达到一定水平时，细胞会关闭一种酶，这种酶会将葡萄糖酸前体转移到细胞自身的代谢途径中。这使得细胞可以正常生长和分裂，直到群体足够大，开始大量生产所需的产品。

“那篇论文第一次证明了我们可以进行自主控制，”Prather说。“我们可以开始培养，细胞就会在适当的时候做出改变。”

在PNAS的新论文中，Prather和Dinh着手在他们的细胞中设计多个开关点，让它们对生产过程有更大的控制权。为了达到这个目的，他们使用了两种不同细菌的群体感应系统。他们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malonyl-CoA的naringenin前体转移到细胞自身的代谢途径中。在另一个转换点，研究人员在他们的工程途径中推迟了一种酶的产生，以避免积累一种前体，这种前体通常会在前体积累过多时抑制naringenin途径。

Dinh说:“因为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电路的开关时间。”

研究人员创造了数百种大肠杆菌变体，它们在不同的种群密度下执行这两个开关，使它们能够识别哪个是最多产的。表现最好的菌株比没有这些控制开关的菌株的柚皮素产量增加了10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说，这个过程也可以帮助提高任何其他类型产品的产量，因为细胞必须在利用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，并希望在未来在更大的规模上进行测试。

“我们认为它肯定具有更广泛的适用性，”Prather说。“这个过程非常稳健，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。”

这项研究是由国家科学基金会资助的。