Исследовательская группа под руководством Фучжун Чжана, доцента кафедры энергетики, окружающей среды химическая инженерия в инженерной школе Прикладная наука обнаружила, что генетически идентичные микробные клетки имеют разную трудовую этику. Команда разработала инструмент, гарантирующий, что трудолюбивые клетки продолжат усердно работать, а низкоэффективные будут устранены.
Исследование опубликовано 21 марта в журнале Nature Chemical Biology.При разработке микробов для производства полезных химикатов клетки одного и того же предка часто выполняют задачи по-разному. Используя искусственные штаммы бактерий E. coli, команда Чжана продемонстрировала, что только небольшая часть клеток усердно работает, чтобы производить желаемые химические вещества, в то время как большинство других довольствовались тем, что не работали, а питались питательными веществами, предназначенными для рабочих клеток. Они обнаружили, что различная трудовая этика вызвана не непреднамеренными генетическими мутациями, а скорее «шумом» в биологии, который присущ природе и который невозможно устранить.
Чтобы ленивые клетки не тратили впустую питательные вещества, команда Чжана разработала инструмент контроля качества под названием PopQC, который может поддерживать работоспособность трудолюбивых высокопроизводительных клеток, устраняя при этом низкоэффективные клетки. Команда разместила внутри ячеек датчик, который мог определять, сколько работы выполняет каждая ячейка. Если датчик определил, что клетка производила много продуктов, датчик запустил бы контроллер для производства белка, который позволял клеткам выживать и расти. Если датчик определял, что клетка недостаточно усердно работает, он молчал, а ленивые клетки умирали от недостатка питания или были выведены из строя антибиотиками.
Команда применила PopQC к двум сконструированным штаммам E. coli: один разработан для производства свободной жирной кислоты, предшественника биотоплива или других химикатов большого объема; и один предназначен для производства тирозина, аминокислоты, которая может быть предшественником фармацевтических препаратов. По словам Чжана, PopQC позволил трудолюбивым клеткам доминировать в обеих культурах и привел к трехкратному увеличению совокупного производства как свободных жирных кислот, так и тирозина.«PopQC может быть применен к множеству биосинтетических путей и организмов-хозяев, если существует надлежащий датчик, который обнаруживает продукт в спроектированном хозяине», — сказал Чжан. «Поскольку шум является универсальной проблемой в биологии, принцип построения этой работы должен вдохновить инженеров из многих других областей на повышение эффективности инженерных систем».
Чжан подал заявку на патент на принцип конструкции при содействии Управления технологического менеджмента университета.Научные интересы Чжана сосредоточены на применении методологий синтетической биологии для разработки микробных систем для устойчивого производства биотоплива, химикатов и материалов с определенной структурой и контролируемыми свойствами.
Он также заинтересован в разработке инструментов, которые позволяют сконструированным микробам синтезировать целевые продукты и выполнять сложные задачи более эффективно и надежно.