波动的细胞能量驱动微生物生产

圣路易斯华盛顿大学的研究人员正在研究如何加速微生物的生产

　　

在生物制造的工作中，微生物的储罐经过微调，可以生产出可以用作碳中性燃料、化学品、材料和药物的化合物，但研究人员仍在学习如何让微生物加速生产的基础知识。为此，圣路易斯华盛顿大学的工程师们探索了ATP在微生物代谢中的作用。

腺苷-5 ' -三磷酸腺苷(ATP)是许多细胞过程的主要能量货币，但它的水平在制造中使用的微生物中波动很大，因此绘制ATP水平与微生物生长和营养质量之间的联系以及它们如何影响微生物产品的产量至关重要。

McKelvey工程学院Francis Ahmann教授、先进材料合成生物学制造研究中心(SMARC)联合主任张福忠(Fuzhong Zhang)领导了这项研究，了解了不同发酵条件下ATP的动态，并开发了一种通过补充ATP促进碳源来提高生物生产的成本效益方法。研究结果发表在6月22日的《自然通讯》杂志上。

“这项研究对于理解微生物能量稳态、优化生物生产过程和确定代谢负担的来源具有广泛的意义，”张教授实验室的博士生、该论文的第一作者穆欣悦说。

本研究使用基因编码的ATP生物传感器来探索不同微生物细胞和发酵条件下ATP浓度的快速变化。他们发现，用不同的碳源喂养微生物会导致非常不同的ATP动力学。在被测试的常用于发酵的碳中，醋酸盐在大肠杆菌中诱导的ATP水平最高，而恶臭假单胞菌(一种被发酵工业广泛使用的微生物菌株)更倾向于一种被称为油酸酯的脂肪酸。

“通常情况下，你不会认为醋酸盐是大肠杆菌的良好碳源，”Mu说，并指出醋酸盐被认为是葡萄糖代谢的副产品，是大肠杆菌在摄入葡萄糖时排泄的东西。她补充说:“实际上，通过给它喂食醋酸盐，我们看到更高的ATP水平与目标产品的产量增加有关。”

使用醋酸盐作为原料也是一个好消息，因为麦凯维大学的研究人员也在研究将二氧化碳转化为醋酸盐的方法。

p.p . putida产生一种叫做聚羟基烷酸酯(PHA)的生物塑料。在这种情况下，向恶臭p.p . putida提供其首选原料脂肪酸s，可显著提高PHA含量、产量和生产率。

除了为发酵寻找有益的碳源外，ATP生物传感器还将光线照射到细胞复杂的代谢过程中。

柠檬烯可以通过微生物生产并用作可再生溶剂或喷气燃料，但其生物生产会大量吸收ATP，降低细胞生长和柠檬烯产量。

利用ATP生物传感器，他们开始了解柠檬烯生物合成酶的表达如何影响ATP平衡，以及如何相应地调整酶的表达以保持高产。

“这项工作不仅阐明了ATP动力学与生物生产之间的关系，而且还提供了一种简单有效的策略，通过选择ATP有益的原料来提高生物生产。它对各种生物制造系统都很有用。”