化学工程师促进细菌的有用化学品的生产

来自麻省理工学院的化学工程师团队设计了一种新的技术，使他们通过在细胞中关闭竞争代谢途径来大大提振细菌的有用化学品的生产。

在2月13日出现的自然生物技术问题上，研究人员表明，它们可以显着提高葡萄糖酸的产量，这是一种尼龙和洗涤剂等产品的前体。研究人员说，这种遗传开关也可以很容易地换成产生其他产品的细菌。

“我们可以工程师微生物细胞从简单的糖产生许多不同的化学物质，但细胞宁愿使用那些糖生长和繁殖。挑战是向我们获得足够的增长以获得有效的微生物的“化学工厂”，但没有那么多的系统，但我们不能在足够的含糖中窜到大量我们的目标分子的途径中，“Kristala说PRETHERING MIT化学工程副教授和该研究的高级作者。

本文的牵头作者是一个麻省理工学院研究生Apoorv Gupta。其他作者是伊里·布洛克·雷亚德曼，这是一个罗斯 - 霍尔曼理工学院助理教授的前麻省理工学院研究生;和克里斯托弗·瑞萨，这是佛罗里达大学助理教授的前麻省理工学院邮政编码。

动态开关

几十年来，科学家一直在操纵微生物的基因，使它们产生大量的产品，例如胰岛素或人体生长激素。通常这可以通过简单地添加基因来实现所需产物的基因或升高现有基因的表达。

最近，研究人员一直试图向微生物制作以产生更复杂的产品，包括药品和生物燃料。这通常需要添加编码催化整体合成的每个步骤的酶的几种基因。

在许多情况下，这种方法还需要关闭在细胞中已经存在的竞争途径。然而，这种关断的时间很重要，因为如果竞争通路是细胞生长所必需的，则将其关闭限制群体尺寸，并且细菌不会产生足够的所需化合物。

PRETHER的实验室以前通过添加了三种基因来制造大肠杆菌来生产葡萄糖酸 - 每一个来自酵母，小鼠和叫做假单胞菌的细菌的菌株。使用这三种基因，细菌可以将称为葡萄糖-6-磷酸盐的化合物转化为葡萄糖酸。然而，葡萄糖-6-磷酸盐也是临界代谢途径中的中间体，其突破葡萄糖并将其转化为能量细胞需要生长和繁殖。

为了产生大量的葡萄糖酸，研究人员必须提出一种方法来关闭葡萄糖 - 击穿途径，允许葡萄糖-6-磷酸盐偏离其替代代谢途径。然而，他们必须小心翼翼地关闭，使细胞群足够大以产生大量的葡萄糖酸。更重要的是，他们想这样做，而无需添加任何新化学品或以任何方式改变工艺条件。

“这个想法是自主地阻止细胞的生长，中途通过生产运行，使得它们可以真正将所有可用的葡萄糖糖聚焦到葡萄糖酸生产中，”Gupta说。

为了实现这一目标，研究人员利用了一种称为Quorum感测的现象，这些现象被许多种类的细菌使用，以应对它们的人口密度来协调基因调节。

除了向葡萄糖酸生产中添加基因外，研究人员还设计了每个细胞，以产生合成称为AHL的小分子的蛋白质。该细胞将该分子分泌到它们的环境中，并且当细胞周围的浓度达到一定程度时，它激活一个开关，使得所有细胞停止产生一种称为磷酸氨基酶（PFK）的酶，这是葡萄糖脱落途径的一部分。随着这种酶转动

OFF，葡萄糖-6-磷酸盐积聚并陷入产生葡萄糖酸的替代途径中。通过构建以不同的速率产生AHL的细胞库，研究人员可以识别触发PFK关闭的最佳时间。

使用此开关，研究人员能够每升细菌混合物产生约0.8克葡萄糖酸，而工程化以产生葡萄糖酸但没有产生的代谢开关。

替代途径

这种类型的开关还应适用于其他工程化代谢途径，因为遗传回路可以靶向切断其他基因。

为了证明这种多功能性，研究人员用一种代谢途径测试了它们的方法，该方法产生称为Shikimate的分子，这是几种不同氨基酸的前体，也是一些药物中的成分，包括流感药物杜凡蛋白。它们使用AHL仲裁感测分子关闭酶进一步在氨基酸合成途径中移动，允许Shikimate在细胞中积聚。没有开关，细胞无法累积任何Shikime。

“本文显示了途径通量动态调节的巨大潜力，尤其是在此开发的法定传感系统，这允许在不同条件下精确调节外国途径，包括实验室和工业。因此，在清华大学的微生物学和生物材料教授郭羌陈说，进一步投资进一步是为了进一步投资，进一步进一步进一步进一步提高增值产品。“

麻省理工学院团队现在正在努力建立多层自主控制的策略，让他们在一个途径上关闭另一个途径。

该研究由国家科学基金会，国家卫生研究院和美国农业部资助。

出版物：Apoorv Gupta等，“使用途径独立的法定传感电路”工程细菌中代谢通量的动态调节“自然生物技术（2017）DOI：10.1038 / NBT.3796