荧光生物传感器照亮了高通量代谢工程

合成生物学家正在学习通过重新设计新陈代谢以生产有价值的商品，如精细化学品，治疗剂和生物燃料，将微生物和单细胞生物转变为高产的工厂。为加快识别最有效的生产者，哈佛大学Wyss生物学启发工程研究所的研究人员描述了这一过程的新方法，并展示了遗传编码的荧光生物传感器如何能够在创纪录的时间内生成和测试数十亿个代谢途径的个体变体。讨论和发现在生物技术趋势和美国国家科学院院刊(PNAS)中有报道。

生物技术人员通过所谓的“设计 - 构建 - 测试周期”的镜头，对微生物的新陈代谢进行修补以生产有价值的产品，从而看待工程过程。该想法是该循环的多次迭代最终允许鉴定产生最高水平的所需药物或化学物质的遗传和代谢元素的组合。然而，循环效率的关键是能够构建和测试尽可能多的变体;最后，这些变体中只有少数会以工业上有吸引力的量生产产品。

在“生物技术趋势”文章中，Wyss Institute的科学家George Church和Jameson Rogers列出了目前最先进的设计，构建和测试多种变体的方法，这是生物工程师称之为“多路复用”的方法。Church是哈佛医学院的Wyss核心教员和遗传学教授，目前在波士顿咨询集团担任罗杰斯教授，他是哈佛皮尔斯研究员和教师指导的博士生。

生物工程师彻底了解代谢途径如何在生物化学水平上起作用，并且有大量的DNA序列编码所有必需酶的变体。在计算工具的帮助下部署这些序列并用越来越多的遗传元素调节它们的表达，使它们能够获得几乎无限的设计可能性。同样，DNA合成和操作技术的革命性进步使得数十亿种微生物的构建成为一种常规过程，每种微生物都含有独特的设计变体。

“实现高通量工程周期的真正瓶颈在于测试步骤。目前的技术限制了科学家每天可以评估数百甚至上千种不同设计的设计数量。通常，必要的测定是艰苦的，并且倾向于用户错误，“罗杰斯说。

Church和Rogers讨论了遗传编码的生物传感器如何帮助生物工程师克服这一障碍。这种生物传感器通过将微生物内产生的所需产物的量与抗生素抗性基因的表达偶联而起作用，使得只有高产者才能存活。或者，荧光蛋白的表达可用于从大量低生产力微生物群中高速分选稀有但高产的候选物。

“现在，通过开发两种类型的基因编码生物传感器，我们可以完成多路复用工程循环的循环。这样可以在更广的范围和深度上探索特定代谢途径的设计空间。荧光生物传感器尤其能够实现品牌化新型管道工程，我们可以在此过程中随时观察代谢产品水平，具有非凡的敏感性和进一步操纵工程循环的能力，“Church说。

Church团队在Wyss研究所的早期工作已经证明，通过使用基于抗生素选择的生物传感器的几轮设计 - 构建 - 测试循环，可以提高细菌产生的具有商业价值的化学物质的水平。现在，Church和Rogers在PNAS上报告了荧光生物传感器为生物工程师提供的独特优势。

“我们的荧光生物传感器是围绕专门的蛋白质构建的，这些蛋白质直接感知商业上有价值的代谢物。这些传感器蛋白质会打开荧光报告蛋白的表达，导致细胞亮度与工程细胞内产生的化学物质量成正比。随着合成的发生，实时观察有价值化学品的生物生产，并将数十亿候选人与文化中的最高生产者隔离开来，“罗杰斯说，他被福布斯评为”30岁以下30岁以下“的科学家，以开辟新视角在生物工程。

使用这种策略，Wyss的研究人员已经建立了荧光生物传感器，用于生产高吸水性聚合物和塑料，如制造一系列产品的令人垂涎的丙烯酸酯。事实上，该研究建立了第一个能够从普通糖生物生产丙烯酸酯的工程化途径，而不是之前所需的石油化合物。

“这种新兴的生物传感器技术有可能改变从工业制造到医药等领域的代谢工程，通过使药物和化学品的生产独立于化石燃料，它可以对我们的环境产生积极影响，”Wyss Institute Founding说。主任Donald Ingber，医学博士，博士，HMS血管生物学犹大民俗教授和波士顿儿童医院血管生物学项目，以及哈佛大学生物工程学教授John A. Paulson工程与应用学院科学。