酵母細胞生物工廠用太陽能電池板

細菌和酵母等基因工程微生物長期以來一直被用作生產(chǎn)藥物和精細化學品的生產(chǎn)工廠。最近，研究人員開始將細菌與半導體技術(shù)相結(jié)合，類似于屋頂上的太陽能電池板，從光中收集能量，當與微生物表面結(jié)合時，可以提高其生物合成潛力。

第一個“生物-無機混合系統(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體直接組裝在細菌細胞上，并且在這個過程中經(jīng)常被損壞。此外，最初對固碳微生物的關(guān)注將產(chǎn)品范圍限制在相對簡單的分子上；如果能夠基于配備有更復雜新陳代謝的微生物產(chǎn)生生物混血兒，這將開辟一條新的途徑來生產(chǎn)更廣泛的可用于許多應用的化學物質(zhì)。

現(xiàn)在，在科學研究方面，由哈佛大學生物靈感工程學院和約翰保爾森工程與應用科學學院()的核心學院成員尼爾喬希(Neel Joshi)和博士后研究員郭(音譯)和米格列蘇阿斯泰吉(MigueSuStegui)領(lǐng)導的多學科團隊，推出了應對這些挑戰(zhàn)的高度適應性解決方案。

“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)計的早期細菌生物雜交系統(tǒng)，但我們將這一概念擴展到了酵母——一種已經(jīng)是工業(yè)主力軍且在基因上易于操作的生物——使用模塊化半導體為酵母的代謝機制提供生物化學能量而沒有毒性，”Wyss研究所的核心教師、SEAS大學副教授Joshi博士說。合著者諾切拉是哈佛大學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。莽草酸是抗病毒藥物達菲、其他幾種藥物、營養(yǎng)保健品和精細化學品的重要前體。

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，通過遺傳修飾酵母的中樞代謝，研究人員使細胞能夠收集其主要營養(yǎng)來源(葡萄糖)中包含的更多碳原子進入莽草酸的生產(chǎn)途徑，并防止碳流失到替代途徑。消滅其中一個。

“原則上，莽草酸增加的‘碳通量’應該會導致更高的產(chǎn)品水平，但在正常的酵母細胞中，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MiguelSustegui博士說，他是一名化學工程師，曾是Joshi團隊的博士后研究員，現(xiàn)在是Joyn Bio LLC的科學家。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體的生物混合方法?！?

為了實現(xiàn)這一目標，Sustegui與本研究的另一位共同對應和共同第一作者郭博士進行了合作，他現(xiàn)在是Joshi實驗室具有化學和材料科學經(jīng)驗的博士后研究員。他們設(shè)計了一種使用磷化銦作為半導體材料的策略。為了使半導體元件真正模塊化和無毒，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诮湍讣毎砻?，同時將細胞相互隔離。金屬的毒性，”郭說。

當結(jié)合到細胞表面并受到輻射時，半導體納米粒子從光中收集電子(能量)并將其給予酵母細胞，酵母細胞通過細胞壁進入細胞質(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。“酵母生物雜交細胞，在黑暗中儲存時，大多產(chǎn)生更簡單的有機分子，如甘油和乙醇；但當暴露在光線下時，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胞的能量傳遞是非常有效的，”Josh說。

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

“創(chuàng)造光捕獲和活細胞設(shè)備可以從根本上改變我們與自然環(huán)境的互動方式，并使我們在能源、藥物和化學品的設(shè)計和生產(chǎn)中更具創(chuàng)造性和有效性，”Wyss Institute創(chuàng)始主任說。唐納德因格博，醫(yī)學博士，博士，也是HMS血管生物學、波士頓兒童醫(yī)院血管生物學項目的尤達?？寺淌冢琒EAS生物工程教授。

標簽：