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PNAS:“群集感应开关”控制工程化细菌代谢能力

来源:本站原创 2019-12-06 02:42

2019年1月6日 讯 /生物谷BIOON/ --通过对微生物进行改造,可以生产各种有用的化合物,包括塑料,生物燃料和药品。但是,在许多情况下,细菌需要在“自我维持”和“合成产物”的代谢途径中竞争。

为了帮助优化细胞产生所需化合物的能力并保持其自身生长,麻省理工学院的化学工程师设计了一种方法,可以诱导细菌在不同时间在不同的代谢途径之间进行切换。这些开关被“编程”到细菌基因组中,并根据种群密度的变化而触发或关闭,无需人工干预。

文章作者化学教授Kristala Prather说:“我们希望这将允许对细菌代谢进行更精确的调节,从而使我们获得更高的生产率,但同时又可以最大程度地减少干预次数。”这种转换使研究人员可以将两种不同产品的微生物产量提高十倍。

(图片来源:Www.pixabay.com)

麻省理工学院的研究生克里斯蒂娜·丁(Christina Dinh)是该论文的主要作者,该论文于最近在《PNAS》杂志上发表。

为了使微生物合成通常不产生的化合物,工程师插入了与代谢途径有关的酶的基因。在某些情况下,这些反应过程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。当细胞将这些中间体转移到工程途径之外其它途径时,会降低最终产品的总产量。

通过使用一种称为动态代谢工程学的概念,Prather先前已经构建了可帮助细胞维持其自身代谢需求与产生所需产物途径之间的平衡的开关。她的想法是对细胞进行编程,使其在途径之间自动切换,而无需操作发生反应的发酵罐的人员进行任何干预。

麻省理工学院的研究小组改造了他们的大肠杆菌细胞,以分泌一种叫做AHL的群体感应分子。当AHL浓度达到一定水平时,细胞就会关闭一种酶,该酶会将葡糖二酸前体转移到细胞自身的代谢途径之一中。这使细胞能够正常生长和分裂,直到种群大到足以开始产生大量所需产物为止。

在新的PNAS论文中,Prather和Dinh着手将多个切换点设计到其单元中,从而赋予他们对生产过程的更大程度的控制。为此,他们使用了两种来自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,并被工程化以生产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,对健康有多种有益作用。

使用这些群体感应系统,研究人员将两个切换点设计到了单元中。设计了一个开关来防止细菌将称为丙二酰-CoA的柚皮素前体转移到细胞自身的代谢途径中。在另一个转换点,研究人员推迟了其工程途径中酶的产生,以避免积累过多的前体进而抑制柚皮苷的合成。

研究人员创建了数百个大肠杆菌变体,以不同的种群密度执行这两个开关,从而使他们能够识别出哪个生产力最高。与没有内置这些​​控制开关的菌株相比,表现最好的菌株显示柚皮素产量增加了十倍。(生物谷Bioon.com)

资讯出处:A new way to control microbial metabolism

原始出处:Christina V. Dinh, Kristala L. J. Prather. Development of an autonomous and bifunctional quorum-sensing circuit for metabolic flux control in engineered Escherichia coli. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019; 201911144 DOI: 10.1073/pnas.1911144116

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