酵母細(xì)胞生物工廠用太陽(yáng)能電池板

細(xì)菌和酵母等基因工程微生物長(zhǎng)期以來(lái)一直被用作生產(chǎn)藥物和精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)工廠。最近，研究人員開(kāi)始將細(xì)菌與半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，類(lèi)似于屋頂上的太陽(yáng)能電池板，從光中收集能量，當(dāng)與微生物表面結(jié)合時(shí)，可以提高其生物合成潛力。

第一個(gè)“生物-無(wú)機(jī)混合系統(tǒng)”(bio-hybrid)主要關(guān)注大氣二氧化碳的固定和替代能源的生產(chǎn)。雖然它非常有希望，但它也揭示了關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。例如，到目前為止，由有毒金屬制成的半導(dǎo)體直接組裝在細(xì)菌細(xì)胞上，并且在這個(gè)過(guò)程中經(jīng)常被損壞。此外，最初對(duì)固碳微生物的關(guān)注將產(chǎn)品范圍限制在相對(duì)簡(jiǎn)單的分子上；如果能夠基于配備有更復(fù)雜新陳代謝的微生物產(chǎn)生生物混血兒，這將開(kāi)辟一條新的途徑來(lái)生產(chǎn)更廣泛的可用于許多應(yīng)用的化學(xué)物質(zhì)。

現(xiàn)在，在科學(xué)研究方面，由哈佛大學(xué)生物靈感工程學(xué)院和約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院()的核心學(xué)院成員尼爾喬希(Neel Joshi)和博士后研究員郭(音譯)和米格列蘇阿斯泰吉(MigueSuStegui)領(lǐng)導(dǎo)的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)，推出了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的高度適應(yīng)性解決方案。

“雖然我們的策略在概念上是基于我們的合作者丹尼爾諾切拉等人設(shè)計(jì)的早期細(xì)菌生物雜交系統(tǒng)，但我們將這一概念擴(kuò)展到了酵母——一種已經(jīng)是工業(yè)主力軍且在基因上易于操作的生物——使用模塊化半導(dǎo)體為酵母的代謝機(jī)制提供生物化學(xué)能量而沒(méi)有毒性，”Wyss研究所的核心教師、SEAS大學(xué)副教授Joshi博士說(shuō)。合著者諾切拉是哈佛大學(xué)帕特森洛克伍德能源教授。由于聯(lián)合操作，酵母生產(chǎn)莽草酸的能力顯著增強(qiáng)。莽草酸是抗病毒藥物達(dá)菲、其他幾種藥物、營(yíng)養(yǎng)保健品和精細(xì)化學(xué)品的重要前體。

釀酒酵母自然產(chǎn)生莽草酸，產(chǎn)生一些合成蛋白質(zhì)和其他生物分子的構(gòu)件。然而，通過(guò)遺傳修飾酵母的中樞代謝，研究人員使細(xì)胞能夠收集其主要營(yíng)養(yǎng)來(lái)源(葡萄糖)中包含的更多碳原子進(jìn)入莽草酸的生產(chǎn)途徑，并防止碳流失到替代途徑。消滅其中一個(gè)。

“原則上，莽草酸增加的‘碳通量’應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致更高的產(chǎn)品水平，但在正常的酵母細(xì)胞中，我們破壞了增加產(chǎn)量的替代方式，重要的是，我們還提供了為莽草酸的最后一步提供燃料所需的能量。酸產(chǎn)量，”第一位合著者M(jìn)iguelSustegui博士說(shuō)，他是一名化學(xué)工程師，曾是Joshi團(tuán)隊(duì)的博士后研究員，現(xiàn)在是Joyn Bio LLC的科學(xué)家。為了改善碳高效但耗能的工程莽草酸途徑，“我們假設(shè)我們可以生成相關(guān)的載能分子NADPH，而不是使用光捕獲半導(dǎo)體的生物混合方法。”

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Sustegui與本研究的另一位共同對(duì)應(yīng)和共同第一作者郭博士進(jìn)行了合作，他現(xiàn)在是Joshi實(shí)驗(yàn)室具有化學(xué)和材料科學(xué)經(jīng)驗(yàn)的博士后研究員。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種使用磷化銦作為半導(dǎo)體材料的策略。為了使半導(dǎo)體元件真正模塊化和無(wú)毒，我們用天然多酚基膠涂覆磷化銦納米粒子，這使我們能夠?qū)⑺鼈兏街诮湍讣?xì)胞表面，同時(shí)將細(xì)胞相互隔離。金屬的毒性，”郭說(shuō)。

當(dāng)結(jié)合到細(xì)胞表面并受到輻射時(shí)，半導(dǎo)體納米粒子從光中收集電子(能量)并將其給予酵母細(xì)胞，酵母細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。在那里，電子提高了NADPH分子的水平，現(xiàn)在可以為莽草酸的生物合成提供燃料。“酵母生物雜交細(xì)胞，在黑暗中儲(chǔ)存時(shí)，大多產(chǎn)生更簡(jiǎn)單的有機(jī)分子，如甘油和乙醇；但當(dāng)暴露在光線下時(shí)，它們很容易轉(zhuǎn)變成莽草酸的生產(chǎn)模式，產(chǎn)品水平提高了11倍，向我們展示了從光到細(xì)胞的能量傳遞是非常有效的，”Josh說(shuō)。

“這種可擴(kuò)展的方法為未來(lái)的生物混合技術(shù)創(chuàng)造了全新的設(shè)計(jì)空間。在未來(lái)的努力中，可以通過(guò)即插即用的方式改變半導(dǎo)體的性質(zhì)和基因工程酵母細(xì)胞的類(lèi)型，以擴(kuò)大生物產(chǎn)品制造工藝的類(lèi)型和范圍，”郭先生說(shuō)。

“創(chuàng)造光捕獲和活細(xì)胞設(shè)備可以從根本上改變我們與自然環(huán)境的互動(dòng)方式，并使我們?cè)谀茉?、藥物和化學(xué)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中更具創(chuàng)造性和有效性，”Wyss Institute創(chuàng)始主任說(shuō)。唐納德因格博，醫(yī)學(xué)博士，博士，也是HMS血管生物學(xué)、波士頓兒童醫(yī)院血管生物學(xué)項(xiàng)目的尤達(dá)?？寺淌?，SEAS生物工程教授。

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