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研究人员开发代谢工程技术

多年来,科学家们一直在探索改变微生物细胞的方法,以改善各种产品的生产方式 - 包括药品,燃料,甚至啤酒。通过利用代谢工程的世界,研究人员还开发了创造“智能”细菌的技术,这些细菌能够执行多种功能,影响药物输送,消化甚至水净化过程。

但是,改变细胞内发生的遗传和调节过程带来了挑战。

首先,细胞已经被编程,以最高效率执行正常的日常过程;工程师为增加细胞产生某种物质所做的任何改变反过来会破坏这些过程并使细胞负担过重。

为了解决这个问题,马里兰大学生物工程教授兼大学Robert E. Fischell生物医学设备研究所所长William E. Bentley正在与一组研究人员合作,专注于工程微生物聚生体,其中细胞亚群设计为共同努力,实现理想的功能。该策略 - 该领域的其他人也在探索 - 允许工程师设计专门的单元并在一组单元中分配目标工作负载。权衡是驱动财团执行一系列特定任务需要工程师以某种方式调节每个细胞亚群的存在量。

尽管面临这一挑战,但很少有科学研究专注于开发可以调节联盟内细胞亚群组成的装置或系统。大多数情况下,此类研究要求工程师依靠手动或用户控制的技术在细胞亚群之间取得平衡。

因此,Bentley和他的团队意识到更强大的方法是重新设计细胞本身以自主地协调其亚群密度。他们的技术在今天发表的Nature Communications论文中得到了强调。

与该领域的其他人一样,Bentley及其生物分子和代谢工程实验室的成员之前研究了群体感应(QS) - 一种细胞形式的细胞间通信 - 来设计细菌菌株之间和之间的通信电路,以协调它们的行为。 。QS涉及小信号分子的合成,称为自诱导物(AI),其由个体细菌分泌但用于协调它们的反应。一旦AI水平达到阈值 - 表示细胞的“法定数量” - AI信号在细胞内转运,在那里它们激活基因表达并实现协调反应。

但是,宾利和他的团队更进了一步。该小组开发了第一个已知的平台,用于基于存在称为自诱导剂-2(AI-2)的环境线索,对聚生体组成进行自主和有针对性的调节。AI-2被认为是一种通用的QS信号,这意味着它被许多种细菌识别和产生。它广泛地表明细胞群密度,并且被认为是天然存在的聚生体和微生物组中的重要信号。

为了创建一个自主系统,Bentley和他的团队在两种大肠杆菌菌株中对细菌QS系统进行了重新布线,以便在细胞群内通信细胞亚群的生长速度由细胞间的信号决定。他们的系统像反馈循环一样工作。第一个菌株检测到AI-2,并且作为响应,产生autoinducer-1(AI-1)的输出。被认为是“控制”菌株的第二种大肠杆菌菌株被设计成实现由第一菌株产生的AI-1调节的聚生细胞的信号驱动的可调节生长速率。通过这种方式,团队的系统采用了自己的AI-1和AI-2之间的检查和平衡过程,这反过来又调节了合成财团的构成。

“越来越多的微生物联盟将负责将原材料转化为有价值的产品,”宾利说。“原材料可能是工业过程的废物或副产品。财团的合成能力可能远远超过纯单一栽培,因此需要有助于协调财团的方法。这在加工设备不具备的情况下尤其有用。可用的,例如在胃肠(GI)道中。“

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