多年來，科學家們一直在探索改變微生物細胞的方法，以改善各種產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，包括藥物、燃料甚至啤酒。利用代謝工程的世界，研究人員還開發(fā)了創(chuàng)造“智能”細菌的技術(shù)，這種細菌可以執(zhí)行許多功能，并影響藥物輸送、消化甚至水凈化過程。
然而，改變細胞中發(fā)生的遺傳和調(diào)節(jié)過程帶來了挑戰(zhàn)。
首先，細胞已經(jīng)被編程為以最高的效率執(zhí)行正常的日常過程；工程師為增加細胞產(chǎn)生某些物質(zhì)而做出的任何改變都會反過來破壞這些過程，并使細胞超負荷工作。
為了解決這個問題，馬里蘭大學生物工程教授、羅伯特費謝爾生物醫(yī)學設備研究所所長威廉e本特利正在與一組研究人員合作，致力于工程微生物聚集體的研究，其中細胞亞群被設計成協(xié)同工作以實現(xiàn)理想的功能。這種策略——該領域的其他人也在探索這種策略——允許工程師設計專門的單元，并在一組單元之間分配目標工作負載。權(quán)衡是，驅(qū)動聯(lián)合體執(zhí)行一系列特定任務需要工程師以某種方式調(diào)整每個細胞子集的數(shù)量。
盡管面臨這一挑戰(zhàn)，但很少有科學研究專注于開發(fā)能夠調(diào)節(jié)聯(lián)盟中細胞亞群組成的設備或系統(tǒng)。在大多數(shù)情況下，這種研究需要工程師依靠人工或用戶控制的技術(shù)來平衡細胞亞群。
因此，本特利和他的團隊意識到一個更強大的方法是重新設計細胞本身，以獨立協(xié)調(diào)它們的子種群密度。他們的技術(shù)在今天出版的《自然通訊》論文中得到了強調(diào)。
像該領域的其他人一樣，本特利和生物分子與代謝工程實驗室的成員研究了群體感應(QS)，一種細胞間的通信，以設計細菌菌株之間的通信電路來協(xié)調(diào)它們的行為。QS涉及小信號分子的合成，稱為自動誘導物(AI)，由單個細菌分泌，但用于協(xié)調(diào)它們的反應。一旦人工智能水平達到閾值——表明細胞的“群體”——人工智能信號就在細胞中傳輸，在細胞中它們激活基因表達并實現(xiàn)協(xié)調(diào)反應。
然而，賓利和他的團隊更進一步。該小組開發(fā)了第一個已知的平臺，用于基于被稱為自我誘導劑-2(AI-2)的環(huán)境線索的存在來自主和有針對性地調(diào)整骨料組成。AI-2被認為是一種普遍的QS信號，這意味著它被多種細菌識別和產(chǎn)生。它廣泛指示細胞群體密度，并被認為是自然發(fā)生的聚集和微生物區(qū)系中的重要信號。
為了創(chuàng)建一個自主系統(tǒng)，Bentley和他的團隊在兩個大腸桿菌菌株中對細菌QS系統(tǒng)進行了重新布線，這樣細胞群中通信細胞亞群的增長率就由細胞之間的信號決定了。他們的系統(tǒng)像反饋回路一樣工作。第一個菌株檢測到AI-2，作為回應，產(chǎn)生了自動誘導因子-1(AI-1)的輸出。被認為是“對照”菌株的第二種大腸桿菌菌株被設計成實現(xiàn)由第一種菌株產(chǎn)生的AI-1調(diào)節(jié)的聚集細胞的信號驅(qū)動的可調(diào)節(jié)的生長率。這樣，團隊的系統(tǒng)在AI-1和AI-2之間采用了自己的檢查和平衡過程，進而調(diào)整了合成聯(lián)合體的組成。
本特利說：“越來越多的微生物聯(lián)盟將負責將原材料轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)品。“原材料可能是工業(yè)過程的廢物或副產(chǎn)品。聯(lián)合體的綜合能力可能遠遠超過單純的單一培育，所以需要幫助協(xié)調(diào)聯(lián)合體。當加工設備不可用時，這尤其有用。例如，可在胃腸道獲得。”
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