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法，包括药物、燃料甚至啤酒。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，这种细菌可以执行许多功能，并影响药物输送、消化甚至水净化过程。

然而，改变细胞中发生的遗传和调节过程带来了挑战。

首先，细胞已经被编程为以最高的效率执行正常的日常过程；工程师为增加细胞产生某些物质而做出的任何改变都会反过来破坏这些过程，并使细胞超负荷工作。

为了解决这个问题，马里兰大学生物工程教授、罗伯特费谢尔生物医学设备研究所所长威廉e本特利正在与一组研究人员合作，致力于工程微生物聚集体的研究，其中细胞亚群被设计成协同工作以实现理想的功能。这种策略——该领域的其他人也在探索这种策略——允许工程师设计专门的单元，并在一组单元之间分配目标工作负载。权衡是，驱动联合体执行一系列特定任务需要工程师以某种方式调整每个细胞子集的数量。

尽管面临这一挑战，但很少有科学研究专注于开发能够调节联盟中细胞亚群组成的设备或系统。在大多数情况下，这种研究需要工程师依靠人工或用户控制的技术来平衡细胞亚群。

因此，本特利和他的团队意识到一个更强大的方法是重新设计细胞本身，以独立协调它们的子种群密度。他们的技术在今天出版的《自然通讯》论文中得到了强调。

像该领域的其他人一样，本特利和生物分子与代谢工程实验室的成员研究了群体感应(QS)，一种细胞间的通信，以设计细菌菌株之间的通信电路来协调它们的行为。QS涉及小信号分子的合成，称为自动诱导物(AI)，由单个细菌分泌，但用于协调它们的反应。一旦人工智能水平达到阈值——表明细胞的“群体”——人工智能信号就在细胞中传输，在细胞中它们激活基因表达并实现协调反应。

然而，宾利和他的团队更进一步。该小组开发了第一个已知的平台，用于基于被称为自我诱导剂-2(AI-2)的环境线索的存在来自主和有针对性地调整骨料组成。AI-2被认为是一种普遍的QS信号，这意味着它被多种细菌识别和产生。它广泛指示细胞群体密度，并被认为是自然发生的聚集和微生物区系中的重要信号。

为了创建一个自主系统，Bentley和他的团队在两个大肠杆菌菌株中对细菌QS系统进行了重新布线，这样细胞群中通信细胞亚群的增长率就由细胞之间的信号决定了。他们的系统像反馈回路一样工作。第一个菌株检测到AI-2，作为回应，产生了自动诱导因子-1(AI-1)的输出。被认为是“对照”菌株的第二种大肠杆菌菌株被设计成实现由第一种菌株产生的AI-1调节的聚集细胞的信号驱动的可调节的生长率。这样，团队的系统在AI-1和AI-2之间采用了自己的检查和平衡过程，进而调整了合成联合体的组成。

本特利说：“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。“原材料可能是工业过程的废物或副产品。联合体的综合能力可能远远超过单纯的单一培育，所以需要帮助协调联合体。当加工设备不可用时，这尤其有用。例如，可在胃肠道获得。”

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