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      當(dāng)前快看:裝上“動(dòng)力引擎”,“細(xì)胞工廠”變得更高效
      發(fā)布時(shí)間:2022-11-08 09:42:42 文章來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)
      裝上“動(dòng)力引擎”,“細(xì)胞工廠”變得更高效

      微生物具備強(qiáng)大而多樣的生化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò),隨著合成生物學(xué)的快速發(fā)展,其有望成為利用可再生資源為原料生產(chǎn)各類高附加值產(chǎn)品的“細(xì)胞微工廠”。

      如何讓微生物這一“細(xì)胞微工廠”變得更加高效?

      近日,一項(xiàng)發(fā)表于《自然·代謝》的研究,首次對(duì)微生物酵母的能量代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了重構(gòu),在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了合成的能量系統(tǒng),即細(xì)胞的“動(dòng)力引擎”。合成的能量系統(tǒng)不僅可以提供能量動(dòng)力,支撐細(xì)胞生長(zhǎng),同時(shí)還可以助力“細(xì)胞微工廠”產(chǎn)品的高效合成。


      (資料圖片僅供參考)

      該研究由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所于濤實(shí)驗(yàn)室與瑞典查爾姆斯理工大學(xué)延斯·尼爾森(Jens Nielsen)實(shí)驗(yàn)室共同合作完成,于濤研究員為第一作者兼共同通訊作者。

      合成能量系統(tǒng)支撐細(xì)胞生產(chǎn)

      微生物作為“細(xì)胞工廠”,與我們平常所熟知的工廠一樣,具有不同生產(chǎn)階段的車間,即微生物的細(xì)胞器等。但細(xì)胞工廠的本質(zhì)又區(qū)別于一般的工廠。有時(shí),細(xì)胞工廠可能只是由一類微生物組成,而并不具備完善的流水線工程。

      雖然能量的充足供應(yīng)和平衡在細(xì)胞工廠的構(gòu)建中十分重要,但是以往科學(xué)家們往往僅從“工廠產(chǎn)品”的合成途徑方面進(jìn)行改造,而從能量代謝的角度對(duì)微生物進(jìn)行改造的研究比較少見(jiàn)。

      細(xì)胞在合成生物大分子、構(gòu)建碳骨架等生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)消耗能量,還需要克服底物和生物量之間的還原度差異。對(duì)于脂質(zhì)等高價(jià)值的儲(chǔ)能化合物,其還原度遠(yuǎn)高于葡萄糖等底物,細(xì)胞往往需要額外的還原力和能量來(lái)合成這些化合物。

      如何讓細(xì)胞既有能量進(jìn)行自我生長(zhǎng),又有能量與足量還原力支撐高還原度化合物的合成?科研團(tuán)隊(duì)將看似無(wú)關(guān)的三個(gè)模塊通過(guò)合成生物學(xué)的理念整合在一起,實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

      在該研究中,團(tuán)隊(duì)通過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì),組合了磷酸戊糖循環(huán)、轉(zhuǎn)氫循環(huán)和外部呼吸鏈三個(gè)模塊,在酵母細(xì)胞內(nèi)構(gòu)建了一個(gè)人工的合成能量系統(tǒng)。

      首先,科研團(tuán)隊(duì)初步驗(yàn)證了其構(gòu)建的合成能量系統(tǒng)的碳流通量;然后,證實(shí)了該系統(tǒng)可以在細(xì)胞質(zhì)中積累過(guò)量的NADPH和NADH,支持細(xì)胞合成高還原性化學(xué)品琥珀酸與甘油等產(chǎn)物;最后,驗(yàn)證了該合成的能量系統(tǒng)可以代替線粒體中的TCA循環(huán)發(fā)揮作用,支持細(xì)胞生長(zhǎng)。

      研究團(tuán)隊(duì)以人工合成的方式構(gòu)建的能量系統(tǒng),不僅可以作為助力細(xì)胞自身生長(zhǎng)的“內(nèi)源發(fā)動(dòng)機(jī)”,也為細(xì)胞構(gòu)建了利于產(chǎn)物合成的“能量發(fā)動(dòng)機(jī)”,能同時(shí)支撐細(xì)胞生長(zhǎng)和高還原性化合物的生產(chǎn)。

      助力可再生能源的生物儲(chǔ)能

      脂肪酸可用于合成細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)。由于其能量密度高,脂肪酸及其衍生物被廣泛地應(yīng)用于重型機(jī)器與航空用油。相對(duì)于利用傳統(tǒng)化石能源,如果能通過(guò)生物合成脂肪酸,將在一定程度上改善能源的可再生程度。在此次研究中,研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的合成能量系統(tǒng)成功地改善了脂肪酸的糖轉(zhuǎn)化率。

      該研究創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了一種新型胞質(zhì)合成還原代謝途徑的重構(gòu),團(tuán)隊(duì)基于重復(fù)的單脫羧反應(yīng)創(chuàng)造了一個(gè)人工能量系統(tǒng),使得細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中額外NADH的供應(yīng)與能量合成成為可能。該成果還證明了酵母細(xì)胞中樞代謝的可塑性和靈活性。

      于濤表示,研究團(tuán)隊(duì)將會(huì)在現(xiàn)有合成能量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步深入研究,將合成的能量系統(tǒng)與CO_2、甲醇等低碳原子的生物代謝相結(jié)合,開(kāi)發(fā)服務(wù)于可再生能源的生物儲(chǔ)能新技術(shù)。

      關(guān)鍵詞: 細(xì)胞工廠

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