Генно-инженерные микробы, такие как бактерии и дрожжи, уже давно используются в качестве живых фабрик для производства лекарств и тонких химикатов. Совсем недавно исследователи начали комбинировать бактерии с полупроводниковой технологией, которая, подобно солнечным батареям на крыше дома, собирает энергию света и, будучи соединена с поверхностью микробов, может повысить их биосинтетический потенциал.
Первые «биолого-неорганические гибридные системы» (биогибриды) в основном были ориентированы на фиксацию атмосферного углекислого газа и производство альтернативных источников энергии, и, хотя они были многообещающими, они также выявили ключевые проблемы. Например, полупроводники, изготовленные из токсичных металлов, до сих пор собираются непосредственно на бактериальных клетках и часто повреждают их в процессе. Кроме того, первоначальное внимание к микробам, фиксирующим углерод, ограничило диапазон продуктов относительно простыми молекулами; Если бы можно было создать биогибриды на основе микроорганизмов с более сложным метаболизмом, это открыло бы новые пути для производства гораздо большего количества химических веществ, полезных для многих применений.
Теперь, в исследовании в области естественных наук, междисциплинарная группа под руководством члена основного факультета Нила Джоши и постдокторских научных сотрудников Цзюньлин Го и Мигеля Суастеги из Гарвардского института инженерии, вдохновленного биологическими исследованиями, имени Висса и Школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона. (SEAS) представляет собой легко адаптируемое решение этих проблем.
Хотя наша стратегия концептуально основана на более ранних бактериальных биогибридных системах, которые были разработаны нашим сотрудником Даниэлем Носера и другими, мы расширили концепцию до дрожжей - организма, который уже является промышленной рабочей лошадкой и генетически легко манипулировать - с модульный полупроводниковый компонент, который обеспечивает биохимическую энергию для метаболического механизма дрожжей, не будучи токсичным», - сказал Джоши, доктор философии. Д., член основного факультета Института Висса и адъюнкт-профессор SEAS. Соавтор Nocera - профессор энергетики Гарвардского университета Паттерсон Роквуд. В результате комбинированных манипуляций способность дрожжей производить шикимовую кислоту, важный предшественник противовирусного препарата Тамифлю, ряда других лекарств, нутрицевтиков и тонких химикатов, была значительно увеличена.
Пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae естественным образом вырабатывают шикимовую кислоту для производства некоторых строительных блоков для синтеза белков и других биомолекул. Однако, генетически модифицировав центральный метаболизм дрожжей, исследователи позволили клеткам направлять больше атомов углерода, содержащихся в их основном источнике питательных веществ, сахарной глюкозе, в путь, производящий шикимовую кислоту, и предотвратить потерю углерода по альтернативным путям. нарушение одного из них.
В принципе, повышенный «поток углерода» в сторону шикимовой кислоты должен привести к более высокому уровню продукта, но в нормальных дрожжевых клетках альтернативный путь, который мы нарушили для увеличения выхода, также обеспечивает энергию, необходимую для подпитки последний этап производства шикимовой кислоты», - сказал соавтор Мигель Суастеги, доктор философии. Д., инженер-химик и бывший научный сотрудник в команде Джоши, а теперь научный сотрудник Joyn Bio LLC. Чтобы стимулировать более углеродоэффективный, но энергетически истощенный путь инженерной шикимовой кислоты, «мы предположили, что мы могли бы генерировать соответствующую энергонесущую молекулу НАДФН вместо биогибридного подхода со светособирающими полупроводниками».
Для достижения этой цели Суастеги сотрудничал с Цзюньлином Го, доктором философии, другим корреспондентом и соавтором исследования, а в настоящее время научным сотрудником с докторской степенью с опытом работы в области химии и материаловедения в лаборатории Джоши. Они разработали стратегию использования фосфида индия в качестве полупроводникового материала. «Чтобы сделать полупроводниковый компонент по-настоящему модульным и нетоксичным, мы покрыли наночастицы фосфида индия природным «клеем» на основе полифенолов, что позволило нам прикрепить их к поверхности дрожжевых клеток, одновременно изолируя клетки от внешней среды. токсичность металла», - сказал Го.
Прикрепленные к поверхности клетки и освещенные, полупроводниковые наночастицы собирают электроны (энергию) от света и передают их клеткам дрожжей, которые перемещают их через свои клеточные стенки в свою цитоплазму. Там электроны повышают уровень молекул НАДФН, которые теперь могут питать биосинтез шикимовой кислоты. «Дрожжевые биогибридные клетки при хранении в темноте в основном производили более простые органические молекулы, такие как глицерин и этанол, но при воздействии света они легко переключались в режим производства шикимовой кислоты с 11-кратным увеличением уровня продукта, что показывает нам, что передача энергии от света к клетке работает очень эффективно», - сказал Джоши.
«Этот масштабируемый подход создает совершенно новое пространство для разработки будущих биогибридных технологий. типа производственных процессов и ассортимента биопродуктов», - сказал Го.
«Создание живых клеточных устройств, собирающих свет, может коренным образом изменить то, как мы взаимодействуем с окружающей средой, и позволит нам быть более творческими и эффективными в разработке и производстве энергии, лекарств и химических товаров», сказал директор-основатель Института Висс Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS и программы сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в SEAS..