哈佛學(xué)者如何打造一個(gè)光驅(qū)動(dòng)的精細(xì)“化工廠”
圖1 左圖為計(jì)算機(jī)合成的半導(dǎo)體-酵母菌復(fù)合體；右圖為掃描電子顯微鏡圖展示的半導(dǎo)體-酵母菌復(fù)合體，其顏色為后期加入。紫色為天然多酚包裹的半導(dǎo)體納米顆粒，粉紅色為基因工程改造的酵母菌。
編者按
在《科學(xué)》（Science）雜志2018年11月16日發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究者首次將半導(dǎo)體材料與異養(yǎng)細(xì)菌進(jìn)行組裝，構(gòu)建了一個(gè)能夠合成精細(xì)分子的“微型化工廠”，為今后高效合成更高價(jià)值的有機(jī)分子提供了新的平臺(tái)?！吨R(shí)分子》邀請(qǐng)到該研究的首要作者郭俊凌博士，為讀者講述他們是如何打造這個(gè)細(xì)胞生物工廠的。
撰文 | 郭俊凌（哈佛大學(xué)生物仿生Wyss研究所）
責(zé)編 | 李娟 蔣海宇
● ● ●
微生物具有易培養(yǎng)、增殖快的特點(diǎn)，結(jié)合成熟的基因工程設(shè)計(jì)，可被改造成小小的“生物化工廠”，生產(chǎn)合成出滿足人們需要的化合物。這些化合物在日常生活中隨處可見(jiàn)，它們廣泛存在于醫(yī)療藥品、護(hù)膚品、食品和飼料添加劑、農(nóng)藥等。在微生物生物合成領(lǐng)域，最常用的一類(lèi)微生物就是大腸桿菌和酵母菌。
近日，《科學(xué)》雜志發(fā)布了我們團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新研究工作，我們給微生物酵母菌裝備上無(wú)機(jī)納米材料，構(gòu)建出了一個(gè)新型無(wú)機(jī)—微生物復(fù)合體平臺(tái)，并成功應(yīng)用于高效精細(xì)化合物的生物合成。
在這個(gè)復(fù)合體中，無(wú)機(jī)物半導(dǎo)體納米顆粒（磷化銦）被組裝在了酵母菌表面（圖1）。通過(guò)施加光照，半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子能夠?qū)爰?xì)胞質(zhì)中并參與酵母菌的代謝合成。同時(shí)，我們使用基因工程設(shè)計(jì)改造了酵母菌的代謝途徑，從而能夠顯著地提高目標(biāo)化合物的產(chǎn)率。該研究為高值化合物的生產(chǎn)提供了全新的合成平臺(tái)。
“微型化工廠”：酵母菌
日常生活中，酵母菌可用于烘焙、釀酒等。通過(guò)基因工程的改造，酵母菌可以導(dǎo)入來(lái)自植物、細(xì)菌、動(dòng)物的各種基因，這些基因在酵母菌細(xì)胞內(nèi)部完成表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)上千種目標(biāo)化合物的生物合成。
其中，具有標(biāo)志性意義的一個(gè)例子，就是使用酵母菌生產(chǎn)嗎啡等止痛藥物的前體：蒂巴因（thebaine）。此外，酵母菌還可用于生產(chǎn)抗瘧疾藥物青蒿素?；诖?，這些藥物的獲取將可能不再受限于傳統(tǒng)的植物提取過(guò)程，而且在生產(chǎn)效率和產(chǎn)量方面得以大大提高。
目前，通過(guò)引入無(wú)機(jī)物，制備出無(wú)機(jī)-微生物/酶復(fù)合體，能夠高效地實(shí)現(xiàn)水裂解產(chǎn)氫、二氧化碳以及氮?dú)馍锕潭ǖ饶繕?biāo)，全世界許多頂尖的研究組（加州伯克利大學(xué)楊培東教授；美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室Paul King教授等）已在這個(gè)生物化學(xué)/材料科學(xué)的交叉領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)。但是，此前使用的微生物主要是自養(yǎng)性微生物，它們以太陽(yáng)光為能量來(lái)源，其代謝途徑不易被操控，所能合成的目的產(chǎn)物范圍有限，而且僅能合成簡(jiǎn)單的小分子。
酵母菌作為通過(guò)“吃糖”（碳源）來(lái)攝取能量的異養(yǎng)性微生物，在合成生物學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)了極為豐富的基因和代謝產(chǎn)物設(shè)計(jì)潛力。在酵母菌的合成代謝中，NADPH（還原形式的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸鹽）是一種驅(qū)動(dòng)代謝過(guò)程的核心輔酶。因此，增加微生物細(xì)胞內(nèi)的NADPH量，一直是研發(fā)有效細(xì)胞生物工廠的核心科學(xué)問(wèn)題。
在這項(xiàng)最新研究中，我們第一次將半導(dǎo)體材料與強(qiáng)大的異養(yǎng)性微生物結(jié)合，大大提高了酵母菌細(xì)胞內(nèi)的NADPH水平，并成功合成出較為復(fù)雜的精細(xì)分子（莽草酸），實(shí)現(xiàn)了更高效、更高價(jià)值的有機(jī)分子生物合成。
設(shè)計(jì)組裝
在這項(xiàng)研究中，我們以莽草酸作為目標(biāo)化合物，測(cè)試這款新型無(wú)機(jī)—微生物復(fù)合體的合成能力和生產(chǎn)效率。莽草酸是抗病毒藥物達(dá)菲（Tamiflu）的前體，也是其他幾種藥物、營(yíng)養(yǎng)保健品和精細(xì)化學(xué)品的重要前體，有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
為了增強(qiáng)酵母菌對(duì)有機(jī)碳源的利用率，同時(shí)測(cè)試無(wú)機(jī)納米材料是否有助于增加NADPH的量，我們首先對(duì)酵母菌進(jìn)行了基因工程改造，刪除了它本身主要的NADPH生成途徑（圖2B），所獲得的酵母菌株（S. cerevisiae ?zwf1）法有效地合成莽草酸；此外，我們還通過(guò)調(diào)控多個(gè)關(guān)鍵基因，富集了大量莽草酸前驅(qū)體分子的合成——3-脫氫莽草酸DHS。
我們這項(xiàng)研究的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于通過(guò)納米模塊化的組裝方式，將高性能無(wú)機(jī)半導(dǎo)體磷化銦納米顆粒，安裝在了酵母菌表面（圖2A）。此外，因?yàn)槭褂昧颂烊欢喾有揎椉{米顆粒，使其具有較低的細(xì)胞毒性，對(duì)酵母細(xì)胞沒(méi)有明顯損傷，具有高度的生物相容性。
在光照條件下，無(wú)機(jī)納米顆?？梢詫⒐饽苻D(zhuǎn)化為電子，從而驅(qū)動(dòng)NADPH的還原和生成。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合物系統(tǒng)的NADPH//NADP+的比率甚至高于正常NADPH生成的酵母，從而揭示了該復(fù)合體平臺(tái)能夠有效提高NADPH的比例。
圖2 無(wú)機(jī)-酵母復(fù)合體的模塊化組裝及生物代謝途徑的基因工程改造
由于酵母細(xì)胞中的NADPH水平得以恢復(fù)，還原性生物合成反應(yīng)也得以進(jìn)行，之前大量富集的莽草酸前體（3-脫氫莽草酸DHS）能夠順利轉(zhuǎn)化生成莽草酸（圖2C，D）。而且，光照條件下（圖3），莽草酸的產(chǎn)量和碳源利用率均顯著增加。
圖3 光反應(yīng)生物合成反應(yīng)進(jìn)行的場(chǎng)景
此前，南京大學(xué)趙勁課題組用CdS半導(dǎo)體納米顆粒與大腸桿菌組裝，構(gòu)建了具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的光催化系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于光驅(qū)動(dòng)生物產(chǎn)氫。這里有個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題尚需進(jìn)一步研究，即細(xì)菌系統(tǒng)中的光轉(zhuǎn)化電子的傳遞是如何實(shí)現(xiàn)的。之前，楊培東教授團(tuán)隊(duì)首先提出了細(xì)胞膜氫化酶電子傳遞機(jī)制。在我們的研究中，由于酵母菌具有細(xì)胞壁，我們認(rèn)為酵母細(xì)胞壁的多糖聚合物可能是納米顆粒與細(xì)胞膜之間電子“跳躍”的媒介。
應(yīng)用前景
需要指出的是，現(xiàn)有合成生物學(xué)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)莽草酸的高效合成，我們的這款新型“微型化工廠”并不是莽草酸單一分子合成的最優(yōu)系統(tǒng)。但是，通過(guò)對(duì)莽草酸的生物合成，我們闡明了該新型模塊化微生物復(fù)合物平臺(tái)的基礎(chǔ)原理，同時(shí)也證明了該系統(tǒng)可以有效再生NADPH，為未來(lái)更復(fù)雜、更有挑戰(zhàn)、更高價(jià)值的生物合成奠定了重要科學(xué)基礎(chǔ)。
例如，建立在酵母菌中的芐基異喹啉生物堿的生產(chǎn)需要直接依賴(lài)于由NADPH驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞色素P450氧化還原酶的參與。因此，通過(guò)進(jìn)一步的工業(yè)放大，我們提出的技術(shù)可以提高生物堿天然產(chǎn)物和其他藥物的工業(yè)化生產(chǎn)效率。
在基礎(chǔ)科學(xué)層面，我們的研究將推動(dòng)無(wú)機(jī)-微生物復(fù)合體中電子傳遞機(jī)制和代謝調(diào)控的探索，為未來(lái)先進(jìn)無(wú)機(jī)-微生物復(fù)合體的設(shè)計(jì)和制備提供理論支持。
參考文獻(xiàn)：
Junling Guo et al.,Light-driven fine chemical production in yeast biohybrids. Science, 2018, 362:813-816.
Junling Guo et al., Modular assembly of superstructures from polyphenol-functionalized building blocks. Nature Nanotechnology, 2016, 11: 1105-1111.
Kelsey K. Sakimoto et al.,Self-photosensitization of nonphotosynthetic bacteria for solar-to-chemical production. Science, 2016, 351: 74-77.
Wei Weiet al., A surface-display biohybrid approach to light-driven hydrogen production in air. Science Advances, 2018, 4: eaap9253.
制版編輯 | 皮皮魚(yú)
