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?！敖湍干镫s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福克曼教授，SEAS生物工程教授。
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