酵母细胞生物工厂的太阳能电池板

基因工程微生物如细菌和酵母长期以来被用作生产药物和精细化学品的生产工厂。最近，研究人员开始将细菌与半导体技术相结合，类似于屋顶的太阳能电池板，以收集光的能量。当与微生物表面结合时，它可以提高它们的生物合成潜力。

第一个& quot生物无机混合系统& quot(生物混合)主要集中于大气二氧化碳的固定和替代能源的生产。尽管前景看好，但它们也揭示了关键的挑战。比如到现在为止，有毒金属制成的半导体都是直接组装在细菌细胞上的，在这个过程中往往会损坏。此外，最初对固碳微生物的关注将产品范围限制在相对简单的分子；如果能够基于具备更复杂代谢能力的微生物产生生物杂交体，这将开辟一条新的道路，生产更广泛的化学物质，可用于许多应用领域。

现在，在科学研究中，一个由哈佛大学核心成员尼尔乔希领导的多学科团队& # 039；的生物工程学院和的约翰a保尔森工程与应用科学学院，以及博士后研究人员郭和米格尔苏阿斯泰吉已经推出了高度适应这些挑战的解决方案。

"虽然我们的战略在概念上是基于我们的合作者丹尼尔诺切拉等人设计的早期细菌生物杂交系统，但我们将这一概念扩展到了酵母——一种已经是工业主力且易于遗传操作的生物体——使用模块化半导体作为组件为酵母提供生化能量& # 039；的代谢机制而不产生毒性。威斯研究所的核心成员、SEAS大学副教授乔希博士说。合著者诺切拉是哈佛大学帕特森洛克伍德能源教授。作为联合操作的结果，酵母& # 039；产莽草酸的能力显著增强。莽草酸是抗病毒药物达菲、其他几种药物、保健品和精细化学品的重要前体。

酿酒酵母天然产生莽草酸，产生一些合成蛋白质和其他生物分子的构件。然而，通过从基因上修改酵母的中枢代谢，研究人员使细胞能够收集更多包含在其主要营养来源(糖葡萄糖)中的碳原子进入莽草酸生产的途径，并防止碳流失到替代途径。摧毁其中一个。

"原则上，增加& # 039；碳通量& # 039；莽草酸应该导致更高的产品水平，但在正常的酵母细胞中，我们破坏了增加产量的替代方法。重要的是，它还提供了为莽草酸的最后一步提供燃料所需的能量。酸生产，& quotMiguelSustegui博士说，他是化学工程师，是Joshi & # 039现在是Joyn Bio LLC的科学家。为了提高工程莽草酸途径的碳效率而消耗能量，& quot我们假设可以生成相关的载能分子NADPH，而不是采用光陷半导体的生物混合方法。"

为了实现这一目标，Sustegui与本研究的另一位通讯作者和第一作者Guo博士合作，他现在是Joshi实验室的博士后研究员，具有化学和材料科学方面的经验。他们设计了使用磷化铟作为半导体材料的策略。"为了使半导体元件真正模块化和无毒，我们用天然多酚基胶水涂覆磷化铟纳米颗粒，这使我们能够将它们附着在酵母细胞的表面，同时将细胞与细胞绝缘。金属毒性，& quot郭说。

当结合到细胞表面并受到照射时，半导体纳米粒子从光中收集电子(能量)并将其提供给酵母细胞，酵母细胞通过细胞壁进入细胞质。在那里，电子提高了NADPH分子的水平，现在可以为莽草酸的生物合成提供燃料。"酵母生物杂交细胞，在暗处保存时，大多产生较简单的有机分子，如甘油和乙醇；但当暴露在光线下时，它们可以很容易地转变成莽草酸生产模式，产物水平增加了11倍，向我们显示了从光到细胞的能量转移是非常有效的，& quot乔希说。

"这种可扩展的方法为未来的生物混合技术创造了一个全新的设计空间。在未来的努力中，半导体的特性和基因工程酵母细胞的类型可以以即插即用的方式改变，以扩大生物产品制造过程的类型和范围。郭说。

"创造光捕获，活细胞设备可以从根本上改变我们与自然环境的互动方式，使我们在能源、药物和化学品的设计和生产中更具创造性和有效性。Wyss研究所的创始主任说。唐纳德英格伯，医学博士，博士，也是HMS血管生物学教授，波士顿儿童血管生物学项目& # 039；SEAS的生物工程教授。

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