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哈佛学者如何打造光驱动的精细“化工厂”

编者按
在《科学》(Science)杂志2018年11月16日发表的一项研究中,研究者首次将半导体材料与异养细菌进行组装,构建了一个能够合成精细分子的“微型化工厂”,为今后高效合成更高价值的有机分子提供了新的平台。《知识分子》邀请到该研究的首要作者郭俊凌博士,为读者讲述他们是如何打造这个细胞生物工厂的。
 
撰文 | 郭俊凌(哈佛大学生物仿生Wyss研究所)
责编 | 李娟  蒋海宇
 
微生物具有易培养、增殖快的特点,结合成熟的基因工程设计,可被改造成小小的“生物化工厂”,生产合成出满足人们需要的化合物。这些化合物在日常生活中随处可见,它们广泛存在于医疗药品、护肤品、食品和饲料添加剂、农药等。在微生物生物合成领域,最常用的一类微生物就是大肠杆菌和酵母菌。
 
近日,《科学》杂志发布了我们团队的一项最新研究工作,我们给微生物酵母菌装备上无机纳米材料,构建出了一个新型无机—微生物复合体平台,并成功应用于高效精细化合物的生物合成。
 
在这个复合体中,无机物半导体纳米颗粒(磷化铟)被组装在了酵母菌表面(图1)。通过施加光照,半导体产生的电子能够导入细胞质中并参与酵母菌的代谢合成。同时,我们使用基因工程设计改造了酵母菌的代谢途径,从而能够显著地提高目标化合物的产率。该研究为高值化合物的生产提供了全新的合成平台。
 
“微型化工厂”:酵母菌
 
日常生活中,酵母菌可用于烘焙、酿酒等。通过基因工程的改造,酵母菌可以导入来自植物、细菌、动物的各种基因,这些基因在酵母菌细胞内部完成表达,从而实现上千种目标化合物的生物合成。
 
其中,具有标志性意义的一个例子,就是使用酵母菌生产吗啡等止痛药物的前体:蒂巴因(thebaine)。此外,酵母菌还可用于生产抗疟疾药物青蒿素。基于此,这些药物的获取将可能不再受限于传统的植物提取过程,而且在生产效率和产量方面得以大大提高。
 
目前,通过引入无机物,制备出无机-微生物/酶复合体,能够高效地实现水裂解产氢、二氧化碳以及氮气生物固定等目标,全世界许多顶尖的研究组(加州伯克利大学杨培东教授;美国国家可再生能源实验室Paul King教授等)已在这个生物化学/材料科学的交叉领域做出了突出贡献。但是,此前使用的微生物主要是自养性微生物,它们以太阳光为能量来源,其代谢途径不易被操控,所能合成的目的产物范围有限,而且仅能合成简单的小分子。
 
酵母菌作为通过“吃糖”(碳源)来摄取能量的异养性微生物,在合成生物学领域展现了极为丰富的基因和代谢产物设计潜力。在酵母菌的合成代谢中,NADPH(还原形式的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸盐)是一种驱动代谢过程的核心辅酶。因此,增加微生物细胞内的NADPH量,一直是研发有效细胞生物工厂的核心科学问题。
 
在这项最新研究中,我们第一次将半导体材料与强大的异养性微生物结合,大大提高了酵母菌细胞内的NADPH水平,并成功合成出较为复杂的精细分子(莽草酸),实现了更高效、更高价值的有机分子生物合成。
 
设计组装
 
在这项研究中,我们以莽草酸作为目标化合物,测试这款新型无机—微生物复合体的合成能力和生产效率。莽草酸是抗病毒药物达菲(Tamiflu)的前体,也是其他几种药物、营养保健品和精细化学品的重要前体,有着重要的应用价值。
 
为了增强酵母菌对有机碳源的利用率,同时测试无机纳米材料是否有助于增加NADPH的量,我们首先对酵母菌进行了基因工程改造,删除了它本身主要的NADPH生成途径(图2B),所获得的酵母菌株(S. cerevisiae ∆zwf1)法有效地合成莽草酸;此外,我们还通过调控多个关键基因,富集了大量莽草酸前驱体分子的合成——3-脱氢莽草酸DHS。
 
我们这项研究的主要创新点在于通过纳米模块化的组装方式,将高性能无机半导体磷化铟纳米颗粒,安装在了酵母菌表面(图2A)。此外,因为使用了天然多酚修饰纳米颗粒,使其具有较低的细胞毒性,对酵母细胞没有明显损伤,具有高度的生物相容性。
 
在光照条件下,无机纳米颗粒可以将光能转化为电子,从而驱动NADPH的还原和生成。通过研究发现,该复合物系统的NADPH//NADP+的比率甚至高于正常NADPH生成的酵母,从而揭示了该复合体平台能够有效提高NADPH的比例。
 
图2 无机-酵母复合体的模块化组装及生物代谢途径的基因工程改造
 
由于酵母细胞中的NADPH水平得以恢复,还原性生物合成反应也得以进行,之前大量富集的莽草酸前体(3-脱氢莽草酸DHS)能够顺利转化生成莽草酸(图2C,D)。而且,光照条件下(图3),莽草酸的产量和碳源利用率均显著增加。
 
 
此前,南京大学赵劲课题组用CdS半导体纳米颗粒与大肠杆菌组装,构建了具有复合结构的光催化系统,并将其应用于光驱动生物产氢。这里有个关键问题尚需进一步研究,即细菌系统中的光转化电子的传递是如何实现的。之前,杨培东教授团队首先提出了细胞膜氢化酶电子传递机制。在我们的研究中,由于酵母菌具有细胞壁,我们认为酵母细胞壁的多糖聚合物可能是纳米颗粒与细胞膜之间电子“跳跃”的媒介。
 
应用前景
 
需要指出的是,现有合成生物学已经可以实现莽草酸的高效合成,我们的这款新型“微型化工厂”并不是莽草酸单一分子合成的最优系统。但是,通过对莽草酸的生物合成,我们阐明了该新型模块化微生物复合物平台的基础原理,同时也证明了该系统可以有效再生NADPH,为未来更复杂、更有挑战、更高价值的生物合成奠定了重要科学基础。
 
例如,建立在酵母菌中的苄基异喹啉生物碱的生产需要直接依赖于由NADPH驱动的细胞色素P450氧化还原酶的参与。因此,通过进一步的工业放大,我们提出的技术可以提高生物碱天然产物和其他药物的工业化生产效率。
 
在基础科学层面,我们的研究将推动无机-微生物复合体中电子传递机制和代谢调控的探索,为未来先进无机-微生物复合体的设计和制备提供理论支持。 
 
参考文献:
Junling Guo et al., Light-driven fine chemical production in yeast biohybrids. Science, 2018, 362:813-816.
Junling Guo et al., Modular assembly of superstructures from polyphenol-functionalized building blocks. Nature Nanotechnology, 2016, 11: 1105-1111.
Kelsey K. Sakimo to et al., Self-photo sensitization of nonphotosynthetic bacteria for solar-to-chemical production. Science, 2016, 351: 74-77.
Wei Wei et al., A surface-display biohybrid approach to light-driven hydrogen production in air. Science Advances, 2018, 4: eaap9253.
 
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