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“生物-无机混合系统”(bio-hybrid)主要致力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；如果生物混合物可以基于具备更复杂代谢能力的微生物来生产，这将开辟一条新的道路，生产更广泛的可用于许多应用的化学品。

现在，在科学研究领域，一个由Neel Joshi(哈佛大学Wyss生物工程研究所和John A. Paulson工程与应用科学学院的核心成员)和博士后研究员Guo和MiguelSustegui领导的多学科团队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和其他人设计的早期细菌生物混合系统，但我们将这一概念扩展到酵母——一种已经是工业主力且易于遗传操作的有机体——使用模块化半导体。这个组织为酵母的代谢机制提供生化能量，而不会产生毒性，”Wyss研究所的核心成员、SEAS副教授Joshi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，酵母生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、营养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，为蛋白质和其他生物分子的合成提供一些构建模块。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，增加莽草酸的‘碳通量’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。第一作者之一MiguelSustegui博士说。他是一名化学工程师，是Joshi团队的前博士后研究员，现在是Joyn Bio LLC的科学家。为了促进碳效率更高但消耗能量的工程莽草酸途径，“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”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，同时使细胞相互绝缘。金属的毒性，”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黑暗中保存时，大部分会产生更简单的有机分子，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为莽草酸生产模式，产品水平提高了11倍，向我们展示了从光到细胞的能量转移是非常有效的，”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进行改变，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。Donald Ingber，医学博士，博士，也是HMS血管生物学的Judah Folkman教授，波士顿儿童医院的血管生物学项目，以及SEAS的生物工程教授。

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