通过微生物发酵进行的生物生产已经用于生产一些生物燃料和药物，通过将化学制造转向更可持续的独立于化石燃料的途径，有可能彻底改变高价值化学工业。
这就是推动华威大学工程学院研究员 Ahmed Mannan 博士和他的同事、该学院生物工程教授 Declan Bates 博士工作的想法。但是，化学品生物生产的广泛采用仍然存在挑战，特别是在将过程扩展到工业规模的成本方面。Mannan 和他的同事开发了一种理论生物回路，可以对微生物中的自然系统进行重新编程，以降低成本并优化生长和生产。
在任何微生物发酵中，细胞生长和人类想要生产的化学物质的生产之间都存在紧张关系，这两个过程都依赖于相同的碳池。曼南说：“如果你想重新转移化学物质的交通，让它产生这些化学物质，你就失去了能够自我构建的细胞，所以你得到了这种固有的权衡。”
达到平衡的一种策略是采用两阶段方法，首先允许微生物不受干扰地生长到足够的大小和数量，然后被诱导从专注于生长转变为专注于合成化学品。诱导从生长表型到生产表型的转变需要使用化学诱导剂来触发微生物中的遗传控制系统，而这种诱导剂可能非常昂贵。例如，合成诱导剂 IPTG 的成本高达近 1,500 美元，仅 25 克。
“你不需要大量的资金来诱导转换，但事实是，随着规模的扩大，成本也会上升，”曼南说。他补充说，这不是一次性应用，因为细胞会消耗诱导剂，但是“当它不再存在时，就不会再按下开关。它放手并切换回“专注于细胞增长”。
改良微生物控制电路
但在Nature Communications上发表的一篇论文中，Mannan 和 Bates 描述了一种改良的微生物控制电路，理论上可以允许微生物从生长表型到生产表型进行廉价且不可逆的转换。以大肠杆菌为模式生物，他们专注于细菌的脂肪酸营养吸收系统，以及如何对其进行重新设计，以将生物体从生长表型转变为存在脂肪油酸的生产表型，而不是昂贵的合成诱导剂。
大肠杆菌可以利用脂肪酸，当它们通过基因组中编码的营养传感器执行器(称为 FadR 的转录因子)可用时。当环境中没有脂肪酸时，FadR 会抑制分解和消耗脂肪酸的酶的表达，通过不制造不需要的酶来节省细胞能量。但是当脂肪酸可用时，少量的脂肪酸会滴入并转化为脂肪酰基辅酶 A(酰基辅酶 A)。然后酰基辅酶A结合并隔离FadR，因此现在惰性的转录因子不能抑制消耗脂肪酸所需的酶的表达。
在他们的论文中，Mannan 和 Bates 表明，基因工程 FadR 还抑制了催化化学生产的酶，同时激活了一种控制细胞生长的酶的表达，从而创造了一个将大肠杆菌从细胞生长转变为化学生产的开关在脂肪酸存在的情况下。
但这只是暂时的激活——在没有脂肪酸的情况下，“开关”仍然会弹回来。该论文继续展示了如何通过两个重要因素不可逆地抑制 FadR 并因此将细菌保持在生产表型中，而只需暂时添加脂肪酸。
首先，Mannan 和 Bates 表明，通过设计 FadR 以激活而不是抑制其自身的表达，一旦它被脂肪酸摄入隔离，就不会再制造 FadR。随着细胞随着时间的推移生长和分裂，惰性 FadR 会被稀释掉。
其次，通过改造 FadR 来抑制另一种称为 TetR 的转录因子，并通过改造 TetR 来抑制 FadR 的表达，他们创造了一种机制，其中 FadR 的隔离导致 TetR 的积累。然后 TetR 抑制 FadR 的任何进一步表达。如果有足够的时间让惰性 FadR 稀释掉，那么即使脂肪酸消失，“也不会有足够的 FadR 再次抑制其阻遏物 TetR，使我们能够保持对 FadR 表达的抑制，从而防止逆转， ”曼南和贝茨在论文中写道。开关锁定，细菌永久转变为生产表型。
根据 Mannan 的说法，这种不可逆的转换不仅会降低生物生产的成本，还将有助于所生产化学品的下游纯化过程，“因为你也完全消耗了诱导剂，”他说。并且由于不可逆开关本身对于它最终将产生的化学工程微生物而言是不可知的，“它广泛适用于几乎所有化学品的合成。”
据桑迪亚国家实验室博士后任命的 Di Liu 博士说，这种对自然系统进行动态控制以对微生物进行动态控制的重新编程可能是微生物生物生产更广泛和更大规模工业应用的关键。直接参与了这项新研究。
“我认为这项工作是一个设计精美的系统，真正解决了该领域的一个关键瓶颈，”她说，并补充说同样的方法可以在多种生物体中发挥作用，因为脂肪酸代谢在其中是普遍的。
就此而言，Liu 补充说，Mannan 和 Bates 的系统不仅限于脂肪酸。“对该领域同样重要的是，这项研究中设计的系统也有可能扩展到各种营养素，”她说。“该领域的研究人员可以遵循这项工作中的设计原则，提出自己的设计。”
这实际上是 Mannan 认为这项工作的关键，“表明你不需要添加昂贵的化学物质，你可以利用细菌中的所有这些自然系统，”他说。“我们可以重新利用它们，把它们放在其他地方，然后它们可以被所有这些天然化学物质诱导。”
不可逆的开关电路还可以帮助应对扩大微生物生物生产的另一个挑战，即大量细菌的自然异质性。
“大自然不想控制它，因为它为进化目的提供了优势，”马南说，但对于希望优化化学生产的人类来说，细菌异质性是一个障碍。“我们假设这种转变实际上有助于进一步使该人口同质化。”
但 Mannan 和 Bates 的下一步将是对他们的理论工作进行实验验证——他们已经在讨论与沃里克的合成生物学实验室合作，以在实际细菌宿主中测试这些想法。
“我们必须对细胞内这个回路的组成部分的启动子序列进行基因工程，我们需要证明它实际上是这样工作的，”他说。“然后进入工业界并实际上进入其他想要扩大生产规模的实验室将变得非常有吸引力。”
