用于酵母细胞生物工厂的太阳能电池板

具有附着于其表面(左)的半导体纳米颗粒(紫色)的酵母细胞(品红色)的研究者模型对应于他们对完成的生物杂交系统的SEM分析(右)。半导体从光中捕获电子并将它们交给细胞，在那里它们驱动莽草酸代谢途径。

基因工程微生物如细菌和酵母长期以来被用作生产工厂来生产药物和精细化学品。最近，研究人员开始将细菌与半导体技术结合起来，类似于屋顶上的太阳能电池板，从光中收集能量，当与微生物表面结合时，可以提高其生物合成潜力。第一个“生物 - 无机混合系统”(生物杂化体)主要集中在大气二氧化碳的固定和替代能源的生产上，虽然很有希望，但它们也揭示了关键的挑战。例如，迄今为止，由有毒金属制成的半导体直接组装在细菌细胞上，并且在此过程中经常会损害它们。此外，最初关注固碳微生物将产品范围限制在相对简单的分子中;如果生物混合物可以基于配备更复杂代谢的微生物产生，它将为生产可用于许多应用的更大范围的化学品开辟新的途径。

现在，在科学研究中，由哈佛大学生物启发工程Wyss研究所和John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的核心学院成员Neel Joshi和博士后研究员Junling Guo和MiguelSuástegui领导的多学科团队介绍了适应这些挑战的高适应性解决方案。

“虽然我们的策略在概念上建立在由我们的合作者Daniel Nocera和其他人设计的早期细菌生物混合系统的基础上，但我们将概念扩展到酵母 - 一种已经是工业主力的生物体，并且在遗传上易于操作 - 使用模块化半导体组件为酵母代谢机械提供生化能量而不会产生毒性，“Joshi博士说，他是Wyss研究所的核心教员和SEAS的副教授。共同作者Nocera是哈佛大学的Patterson Rockwood能源教授。作为联合操作的结果，酵母生产莽草酸的能力显着增强，莽草酸是抗病毒药物达菲(Tamiflu)，其他几种药物，营养保健品和精细化学品的重要前体。面包酵母酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)自然地产生莽草酸以产生一些用于合成蛋白质和其他生物分子的构件。然而，通过遗传修饰酵母的中心代谢，研究人员使细胞能够将其主要营养源(糖葡萄糖)所含的更多碳原子汇集到产生莽草酸的途径中，并防止碳流失到替代途径中。破坏他们中的一个。

“原则上，对莽草酸增加的'碳通量'应该导致更高的产品水平，但在正常的酵母细胞中，我们破坏以提高产量的替代途径，重要的是，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，“联合第一作者MiguelSuástegui博士说，他是化学工程师，Joshi团队的前博士后研究员，现在是Joyn Bio LLC的科学家。为了促进碳更有效但耗能的工程化莽草酸途径，“我们假设我们可以生成相关的能量携带分子NADPH而不是采用光捕获半导体的生物混合方法。”

为了实现这一目标，Suástegui与该研究的另一位共同对应和共同第一作者，现在是Joshi实验室化学和材料科学经验的博士后研究员Junling Guo博士合作。他们设计了一种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表面，同时使细胞与细胞绝缘。金属的毒性，“郭说。当束缚到细胞表面并被照射时，半导体纳米粒子从光中收集电子(能量)并将它们交给酵母细胞，酵母细胞将它们穿过它们的细胞壁进入它们的细胞质。在那里，电子提升了NADPH分子的水平，现在可以为莽草酸生物合成提供燃料。“酵母生物杂交细胞在黑暗中保存时，大多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，它们很容易转变为莽草酸生产模式，产品水平提高了11倍，向我们展示从光进入细胞的能量转移非常有效，“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，半导体的性质和基因工程酵母细胞的类型可以以即插即用的方式变化，以扩展制造工艺的类型和范围的生物制品，“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互动的方式，让我们在能源，药品和化学商品的设计和生产方面更具创造性和有效性，”Wyss Institute创始总监说。 Donald Ingber，医学博士，博士，同时也是HMS血管生物学的Judah Folkman教授和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。