华人学者巧妙利用细胞的职业道德

　　最近，华盛顿大学的一个工程师团队，提出了一种方法，通过利用细胞的职业道德，来提高生物燃料、药物、材料和其他有用化学物质的生产。

　　该研究小组，由工程与应用科学学院能源、环境与化学工程助理教授张福中（Fuzhong Zhang）带领，发现基因完全相同的微生物细胞，有不同的职业道德。该团队开发了一种工具，以确保勤勉的细胞能保持努力工作，而好吃懒做的细胞则被淘汰。这一研究发表在3月21日出版的《Nature Chemical Biology》。

　　当设计细菌生产有用的化学物质时，来自同一祖先的细胞，通常执行不同的任务。通过利用工程设计的大肠杆菌菌株，张博士的团队证明，只有一小部分的细胞努力工作，生产所需的化学物质，而其他大部分的细胞则满足于不工作，但却摄食为工作细胞提供的营养成分。他们发现，不同的职业道德，不是由非预期的基因突变所导致的，而是由生物学中的“噪音”造成的，这是大自然固有的，不可能消除的。

　　为了防止懒惰的细胞浪费营养物，张博士的研究团队开发了一种质量控制工具，称为PopQC，能够使勤劳的、高性能的细胞工作，同时消除低表现不佳的细胞。该研究小组将一个传感器放置在细胞内，其可以感受到每一个细胞做了多少工作。如果传感器确定一个细胞正在制造很多的产品，传感器就会触发一个控制器，制造一种蛋白质，使细胞能够存活和成长。如果传感器检测到细胞工作不够努力，它就保持沉默，并且懒惰的细胞会因缺乏营养而死亡，或被抗生素破坏。

　　研究小组将PopQC应用于两个大肠杆菌工程菌株：一个旨在产生游离脂肪酸——生物燃料或其他大容量化合物的前体；另一个菌株旨在产生酪氨酸——一种氨基酸，可能是药物的前体。张博士说，PopQC可让勤劳的细胞在两种培养物中占据主导地位，并导致游离脂肪酸和酪氨酸的总体产量提高了三倍。

　　张博士说：“PopQC可适用于多种生物合成途径和宿主生物体，只要有合适的传感器存在，检测工程细菌中的产物。由于噪声是生物学中普遍存在的问题，所以这项工作的设计原则，应鼓励来自许多其他领域的工程师，提高该工程系统的效率。”

　　在该大学技术管理办公室的援助下，张博士已就这一设计原则进行了专利申请。张博士2003年在北京大学获得化学学士学位，之后在加拿大麦克马斯特大学获硕士学位，多伦多大学获博士学位，曾在劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究，目前是圣路易斯华盛顿大学助理教授，他从2009年开始专注自然生物技术领域，发表过多项研究。张博士的研究兴趣集中于：应用合成生物学方法，来开发微生物系统，可持续地生产生物燃料、化学品和具有定义结构和可控性能的材料。他也感兴趣的是，开发某种工具，使工程微生物合成目标产品，并更有效和有力地执行复杂的任务。