研究人員開發(fā)代謝工程技術(shù)

多年來(lái)，科學(xué)家們一直在探索改變微生物細(xì)胞的方法，以改善各種產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，包括藥物、燃料甚至啤酒。利用代謝工程的世界，研究人員還開發(fā)了創(chuàng)造“智能”細(xì)菌的技術(shù)，這種細(xì)菌可以執(zhí)行許多功能，并影響藥物輸送、消化甚至水凈化過(guò)程。

然而，改變細(xì)胞中發(fā)生的遺傳和調(diào)節(jié)過(guò)程帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

首先，細(xì)胞已經(jīng)被編程為以最高的效率執(zhí)行正常的日常過(guò)程；工程師為增加細(xì)胞產(chǎn)生某些物質(zhì)而做出的任何改變都會(huì)反過(guò)來(lái)破壞這些過(guò)程，并使細(xì)胞超負(fù)荷工作。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，馬里蘭大學(xué)生物工程教授、羅伯特費(fèi)謝爾生物醫(yī)學(xué)設(shè)備研究所所長(zhǎng)威廉e本特利正在與一組研究人員合作，致力于工程微生物聚集體的研究，其中細(xì)胞亞群被設(shè)計(jì)成協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)理想的功能。這種策略——該領(lǐng)域的其他人也在探索這種策略——允許工程師設(shè)計(jì)專門的單元，并在一組單元之間分配目標(biāo)工作負(fù)載。權(quán)衡是，驅(qū)動(dòng)聯(lián)合體執(zhí)行一系列特定任務(wù)需要工程師以某種方式調(diào)整每個(gè)細(xì)胞子集的數(shù)量。

盡管面臨這一挑戰(zhàn)，但很少有科學(xué)研究專注于開發(fā)能夠調(diào)節(jié)聯(lián)盟中細(xì)胞亞群組成的設(shè)備或系統(tǒng)。在大多數(shù)情況下，這種研究需要工程師依靠人工或用戶控制的技術(shù)來(lái)平衡細(xì)胞亞群。

因此，本特利和他的團(tuán)隊(duì)意識(shí)到一個(gè)更強(qiáng)大的方法是重新設(shè)計(jì)細(xì)胞本身，以獨(dú)立協(xié)調(diào)它們的子種群密度。他們的技術(shù)在今天出版的《自然通訊》論文中得到了強(qiáng)調(diào)。

像該領(lǐng)域的其他人一樣，本特利和生物分子與代謝工程實(shí)驗(yàn)室的成員研究了群體感應(yīng)(QS)，一種細(xì)胞間的通信，以設(shè)計(jì)細(xì)菌菌株之間的通信電路來(lái)協(xié)調(diào)它們的行為。QS涉及小信號(hào)分子的合成，稱為自動(dòng)誘導(dǎo)物(AI)，由單個(gè)細(xì)菌分泌，但用于協(xié)調(diào)它們的反應(yīng)。一旦人工智能水平達(dá)到閾值——表明細(xì)胞的“群體”——人工智能信號(hào)就在細(xì)胞中傳輸，在細(xì)胞中它們激活基因表達(dá)并實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)反應(yīng)。

然而，賓利和他的團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步。該小組開發(fā)了第一個(gè)已知的平臺(tái)，用于基于被稱為自我誘導(dǎo)劑-2(AI-2)的環(huán)境線索的存在來(lái)自主和有針對(duì)性地調(diào)整骨料組成。AI-2被認(rèn)為是一種普遍的QS信號(hào)，這意味著它被多種細(xì)菌識(shí)別和產(chǎn)生。它廣泛指示細(xì)胞群體密度，并被認(rèn)為是自然發(fā)生的聚集和微生物區(qū)系中的重要信號(hào)。

為了創(chuàng)建一個(gè)自主系統(tǒng)，Bentley和他的團(tuán)隊(duì)在兩個(gè)大腸桿菌菌株中對(duì)細(xì)菌QS系統(tǒng)進(jìn)行了重新布線，這樣細(xì)胞群中通信細(xì)胞亞群的增長(zhǎng)率就由細(xì)胞之間的信號(hào)決定了。他們的系統(tǒng)像反饋回路一樣工作。第一個(gè)菌株檢測(cè)到AI-2，作為回應(yīng)，產(chǎn)生了自動(dòng)誘導(dǎo)因子-1(AI-1)的輸出。被認(rèn)為是“對(duì)照”菌株的第二種大腸桿菌菌株被設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)由第一種菌株產(chǎn)生的AI-1調(diào)節(jié)的聚集細(xì)胞的信號(hào)驅(qū)動(dòng)的可調(diào)節(jié)的生長(zhǎng)率。這樣，團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)在AI-1和AI-2之間采用了自己的檢查和平衡過(guò)程，進(jìn)而調(diào)整了合成聯(lián)合體的組成。

本特利說(shuō)：“越來(lái)越多的微生物聯(lián)盟將負(fù)責(zé)將原材料轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品。“原材料可能是工業(yè)過(guò)程的廢物或副產(chǎn)品。聯(lián)合體的綜合能力可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單純的單一培育，所以需要幫助協(xié)調(diào)聯(lián)合體。當(dāng)加工設(shè)備不可用時(shí)，這尤其有用。例如，可在胃腸道獲得?！?

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