科学家开发双开关，让细菌更高产学术资讯

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麻省理工学院的化学工程师们在大肠杆菌的代谢途径中加入了两个开关，帮助它们产生更多有用的化合物。

经过改造的微生物可以生产各种有用的化合物，包括塑料、生物燃料和药物。然而，在许多情况下，这些产物会与细胞自身生长所需的代谢途径相竞争。为了优化细菌产生目的产物的能力，同时又保证自身的生长，麻省理工学院的化学工程师们设计了一种方法诱导细菌在不同的时间切换不同的代谢途径，而且这种切换由菌群密度的变化触发，无需人工干预。经验证，这种方法能够将两种不同产物的产量提高10倍。相关论文发表在本周的《美国国家科学院院刊》上。

为了让微生物合成它们通常不会产生的有用的化合物，工程师们在细菌内插入了参与代谢途径的酶相关基因。这种方法现在被用于生产许多复杂的产物，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产物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，化学工程教授、这项研究的主要作者Kristala Prather之前建立了帮助细胞在自身代谢需求和产生目的产物的途径之间保持平衡的开关。该策略基于群体感应，也就是细菌用来相互交流的一种现象：每一种细菌都会分泌特定的分子，进而感知周围的微生物，并影响彼此的行为。通过群体感应，就能让细菌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。

在新论文中，Prathe等人使用了两种不同细菌的群体感应系统，并在细菌中设计了多个开关点，从而获得了对生产过程更大的控制权。研究人员通过基因工程将这些系统整合到大肠杆菌中，最终大量产生了一种名为柑橘素的化合物，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。

这篇文章的第一作者Christina Dinh说：“由于我们从两个不同的群体感应系统中提取了成分，且两个系统中的调节蛋白都是独一无二的，因此我们可以独立地改变每个代谢通路的开关时间。”在研究中，工程师们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，表现最好的菌株比没有这些开关的菌株的柑橘素产量增加了10倍。

研究人员还证明了多开关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物的产量，因为细菌必须在利用中间产物生成目的产物和自身生长之间取得平衡。研究人员还没有证明该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，并希望未来在更大的规模上进行测试。

“我们认为这个方法肯定具有更广泛的适用性，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，只需要细菌自身根据种群密度决定何时切换不同的代谢途径。”Prather说。

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编译：花花

审稿：阿淼

责编：张梦

期刊来源：《美国国家科学院院刊》

期刊编号： 0027-8424

原文链接：

http://news.mit.edu/2019/gene-control-microbial-metabolic-pathways-1202