波動(dòng)的細(xì)胞能量驅(qū)動(dòng)微生物生產(chǎn)

在生物制造的工作中，微生物的儲(chǔ)罐經(jīng)過(guò)微調(diào)，可以生產(chǎn)出可以用作碳中性燃料、化學(xué)品、材料和藥物的化合物，但研究人員仍在學(xué)習(xí)如何讓微生物加速生產(chǎn)的基礎(chǔ)知識(shí)。為此，圣路易斯華盛頓大學(xué)的工程師們探索了ATP在微生物代謝中的作用。

腺苷-5 ' -三磷酸腺苷(ATP)是許多細(xì)胞過(guò)程的主要能量貨幣，但它的水平在制造中使用的微生物中波動(dòng)很大，因此繪制ATP水平與微生物生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量之間的聯(lián)系以及它們?nèi)绾斡绊懳⑸锂a(chǎn)品的產(chǎn)量至關(guān)重要。

McKelvey工程學(xué)院Francis Ahmann教授、先進(jìn)材料合成生物學(xué)制造研究中心(SMARC)聯(lián)合主任張福忠(Fuzhong Zhang)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，了解了不同發(fā)酵條件下ATP的動(dòng)態(tài)，并開發(fā)了一種通過(guò)補(bǔ)充ATP促進(jìn)碳源來(lái)提高生物生產(chǎn)的成本效益方法。研究結(jié)果發(fā)表在6月22日的《自然通訊》雜志上。

“這項(xiàng)研究對(duì)于理解微生物能量穩(wěn)態(tài)、優(yōu)化生物生產(chǎn)過(guò)程和確定代謝負(fù)擔(dān)的來(lái)源具有廣泛的意義，”張教授實(shí)驗(yàn)室的博士生、該論文的第一作者穆欣悅說(shuō)。

本研究使用基因編碼的ATP生物傳感器來(lái)探索不同微生物細(xì)胞和發(fā)酵條件下ATP濃度的快速變化。他們發(fā)現(xiàn)，用不同的碳源喂養(yǎng)微生物會(huì)導(dǎo)致非常不同的ATP動(dòng)力學(xué)。在被測(cè)試的常用于發(fā)酵的碳中，醋酸鹽在大腸桿菌中誘導(dǎo)的ATP水平最高，而惡臭假單胞菌(一種被發(fā)酵工業(yè)廣泛使用的微生物菌株)更傾向于一種被稱為油酸酯的脂肪酸。

“通常情況下，你不會(huì)認(rèn)為醋酸鹽是大腸桿菌的良好碳源，”Mu說(shuō)，并指出醋酸鹽被認(rèn)為是葡萄糖代謝的副產(chǎn)品，是大腸桿菌在攝入葡萄糖時(shí)排泄的東西。她補(bǔ)充說(shuō):“實(shí)際上，通過(guò)給它喂食醋酸鹽，我們看到更高的ATP水平與目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)量增加有關(guān)?！?/p>

使用醋酸鹽作為原料也是一個(gè)好消息，因?yàn)辂渼P維大學(xué)的研究人員也在研究將二氧化碳轉(zhuǎn)化為醋酸鹽的方法。

p.p . putida產(chǎn)生一種叫做聚羥基烷酸酯(PHA)的生物塑料。在這種情況下，向惡臭p.p . putida提供其首選原料脂肪酸s，可顯著提高PHA含量、產(chǎn)量和生產(chǎn)率。

除了為發(fā)酵尋找有益的碳源外，ATP生物傳感器還將光線照射到細(xì)胞復(fù)雜的代謝過(guò)程中。

檸檬烯可以通過(guò)微生物生產(chǎn)并用作可再生溶劑或噴氣燃料，但其生物生產(chǎn)會(huì)大量吸收ATP，降低細(xì)胞生長(zhǎng)和檸檬烯產(chǎn)量。

利用ATP生物傳感器，他們開始了解檸檬烯生物合成酶的表達(dá)如何影響ATP平衡，以及如何相應(yīng)地調(diào)整酶的表達(dá)以保持高產(chǎn)。

“這項(xiàng)工作不僅闡明了ATP動(dòng)力學(xué)與生物生產(chǎn)之間的關(guān)系，而且還提供了一種簡(jiǎn)單有效的策略，通過(guò)選擇ATP有益的原料來(lái)提高生物生產(chǎn)。它對(duì)各種生物制造系統(tǒng)都很有用。

來(lái)源：AAAS

異丁醛（也稱為2-丁醛，化學(xué)式：C4H8O）是一種有機(jī)化合物，屬于醛類化合物。以下是異丁醛的一些化學(xué)性質(zhì)：

1. 功能團(tuán)：異丁醛分子中含有一個(gè)醛基（─CHO功能團(tuán)），即碳氧雙鍵和一個(gè)氫原子。

2. 溶解性：異丁醛具有一定的溶解性。它可以在水和許多有機(jī)溶劑中溶解，如乙醇、醚等。

3. 氧化性：異丁醛易被氧氣氧化成相應(yīng)的酸。

4. 反應(yīng)活性：異丁醛是一種活潑的化合物，可以與多種化學(xué)物質(zhì)發(fā)生以下反應(yīng)：

   - 還原反應(yīng)：可以被還原劑還原為相應(yīng)的醇。

   - 加成反應(yīng)：與親核試劑（如氨、氫氯化物）加成反應(yīng)，形成相應(yīng)的加成產(chǎn)物。

   - 導(dǎo)入反應(yīng)：與親電試劑（如酸性條件下的醇或酰氯）反應(yīng)，發(fā)生導(dǎo)入反應(yīng)，形成醇或酯。

5. 異構(gòu)性：異丁醛和正丁醛（1-丁醛）是同分異構(gòu)體，它們的分子結(jié)構(gòu)不同。

需要注意的是，異丁醛是一種具有刺激性氣味的液體，在處理和使用時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。同時(shí)，由于異丁醛易燃，應(yīng)避免與火源接觸和存放在易燃物質(zhì)附近。