双重开关——让微生物再“听话”些

　　微生物经过基因工程改造后可用于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，这些产品的合成需要与维持微生物生长的代谢途径竞争。

　　为了优化微生物生产所需化合物的能力、同时维持其自身生长，麻省理工学院的科学家设计了一种方法，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。这种转换开关被插入到细胞基因组中，由微生物种群密度的变化触发，无需人工干预。利用这种转换，研究人员可以将两种不同的微生物产物的产量提高十倍。文章发表在PNAS上。麻省理工学院的研究生Christina Dinh是该论文的主要作者。Kristala Prather教授是通讯作者。

　　双重开关

　　为了使微生物能合成生产我们需要的有用化合物——原本正常情况下细菌不产生的化合物，研究人员往往会在微生物基因组中插入特定的酶基因——产生所需产物的代谢途径中的酶的基因。这种方法已用于生产许多复杂的产品，例如药品和生物燃料。

　　在某些情况下，这些反应过程中产生的中间产物，正好也是细胞自身代谢途径的中间产物。当细胞将这些中间产物转移到生产途径之外时，自然就会降低最终产品的总产量。

　　通过利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基因工程改造，使其在两种途径之间自动切换，而无需操作人员进行任何干预。

　　在2017年发表的一项研究中，Prather实验室使用这种方法改造大肠杆菌以生产葡萄糖二酸，后者是尼龙和洗涤剂等产品的前体。研究人员的策略是基于群体感应——这通常是细菌细胞之间相互交流的现象：每种细菌都会分泌特定的分子，从而帮助它们感知附近的微生物并影响彼此的行为。当时研究小组改造了大肠杆菌细胞，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——该酶会将葡萄糖二酸前体转移到细胞自身的代谢途径之中。这种改造使细胞能够正常生长和分裂，直到细菌群体密度大到足以开始产生大量所需产物时即转换到进行生产。Prather说：“那篇论文是第一个证明我们可以让细菌进行自主控制的论文。。。我们可以在开始时培养增殖细胞，然后将在适当的时候细胞自动转换到生产途径。

　　在新的PNAS论文中，Prather和Dinh着手将两个转换开关设计到大肠杆菌细胞中，从而实现对生产过程的更精细程度的控制。

　　他们使用了两种来自不同细菌的群体感应系统，将这些系统整合到大肠杆菌中，并用于生产一种名为柚皮苷的化合物，柚皮苷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。

　　研究人员设计了一个转换开关来防止细菌将丙二酰-CoA——柚皮素前体转移到细胞自身的代谢途径中，另一个转换开关用于延迟生产途径中一种酶的产生，以避免积累过多的前体，而该前体通常会抑制柚皮苷途径。

　　Dinh说：“由于我们采用了来自两个不同的群体感应系统中的不同成分，并且调节蛋白在两个系统之间都是唯一的，因此我们可以独立地改变每个途径的切换时间。”

　　研究人员构建了数百个大肠杆菌变异体，可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。

　　更复杂的途径

　　研究人员还证明，多转换开关的方法可用于使大肠杆菌工程菌的水杨酸产量翻倍，而水杨酸是许多药物的基础。Prather说，该方法还可以帮助提高其他任何涉及细胞自身使用中间产物的产品生产。不过，研究人员尚未证明他们的方法可以在工业规模上使用，但是他们正在努力将方法扩展到更复杂的途径，并希望在将来进行更大的测试。

　　Kristala Prather教授说：“我们希望可以对代谢进行更精确的调节，从而获得更高的生产率，但同时又可以最大程度地减少干预数量。。。我们认为新系统无疑具有更广泛的适用性。。。该系统非常强大，因为它不需要在特定时间现场添加什么或对该过程进行任何调整，而是让微生物细胞在内部进行跟踪，以了解何时该 转换到生产。”