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。这一研究发表在3月21日出版的《Nature Chemical Biology》。

　　

生物通报道：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。延伸阅读：PNAS：加快癌症和生物燃料研究的细胞开关；转基因工程改造细菌可合成高能生物燃料。

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。

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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。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Exploiting nongenetic cell-to-cell variation for enhanced biosynthesis
Abstract: Biosynthesis enables renewable production of manifold compounds, yet often biosynthetic performance must be improved for it to be economically feasible. Nongenetic, cell-to-cell variations in protein and metabolite concentrations are naturally inherent, suggesting the existence of both high- and low-performance variants in all cultures. Although having an intrinsic source of low performers might cause suboptimal ensemble biosynthesis, the existence of high performers suggests an avenue for performance enhancement. Here we develop in vivo population quality control (PopQC) to continuously select for high-performing, nongenetic variants. We apply PopQC to two biosynthetic pathways using two alternative design principles and demonstrate threefold enhanced production of both free fatty acid (FFA) and tyrosine. We confirm that PopQC improves ensemble biosynthesis by selecting for nongenetic high performers. Additionally, we use PopQC in fed-batch FFA production and achieve 21.5 g l−1 titer and 0.5 g l−1 h−1 productivity. Given the ubiquity of nongenetic variation, PopQC should be applicable to a variety of metabolic pathways for enhanced biosynthesis.