图1左图为计算机合成的半导体-酵母复合体；右图是扫描电镜显示的半导体-酵母复合体，其颜色是后期添加的。紫色是涂有天然多酚的半导体纳米颗粒，粉色是基因工程酵母。
编者按在2018年11月16日发表在《科学》杂志上的一项研究中，研究人员首次将半导体材料与异养细菌组装在一起，构建了一个能够合成精细分子的“微型化工厂”，为未来高效合成更高价值的有机分子提供了新的平台。知识分子邀请了这项研究的主要作者郭博士，告诉读者他们是如何建立这个细胞生物工厂的。作者|郭(哈佛大学Wyss仿生研究所)编辑|李娟蒋微生物具有易培养、增殖快的特点。结合成熟的基因工程设计，可以改造成一个小型的“生化工厂”，生产和合成满足人们需求的化合物。这些化合物在日常生活中随处可见，广泛存在于医药、护肤品、食品和饲料添加剂、农药等。在微生物生物合成领域，最常用的微生物是大肠杆菌和酵母。近日，《科学》杂志发表了我们团队的最新研究工作。我们用无机纳米材料装备微生物酵母，构建了一个新的无机-微生物复合平台，并成功应用于高效精细化合物的生物合成。在这种复合物中，无机半导体纳米粒子(磷化铟)被组装在酵母表面(图1)。通过施加光，可以将半导体产生的电子引入细胞质，参与酵母的代谢和合成。同时，我们通过基因工程设计和改造了酵母的代谢途径，可以显著提高目标化合物的产量。该研究为高价值化合物的生产提供了一个全新的合成平台。
“微型化工厂”：酵母菌在日常生活中，酵母可用于烘焙、酿酒等。通过基因工程的转化，酵母可以导入来自植物、细菌和动物的各种基因，这些基因在酵母细胞中表达，从而实现成千上万种目标化合物的生物合成。其中，一个标志性的例子就是利用酵母生产吗啡和其他镇痛药物的前体:蒂巴因。此外，酵母还可以用来生产抗疟药青蒿素。基于此，这些药物的获取将很可能不再受限于传统的植物提取工艺，生产效率和产量将大大提高。目前，已经通过引入无机物制备了无机-微生物/酶复合物，该复合物可以高效地实现水裂解制氢、二氧化碳和固氮的目标。世界上许多顶尖的研究团体(加州柏克莱大学的杨培东教授；美国国家可再生能源实验室保罗·金教授等。)在生物化学/材料科学这一交叉领域做出了突出贡献。但之前使用的微生物主要是自养微生物。它们以阳光为能源，代谢途径不易被操纵。他们能合成的目标产物范围有限，只能合成简单的小分子。酵母作为一种通过“吃糖”(碳源)摄取能量的异养微生物，在合成生物学领域表现出极其丰富的基因和代谢产物设计潜力。在酵母合成代谢中，NADPH(还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)是驱动代谢过程的核心辅酶。因此，增加微生物细胞中NADPH的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，我们首次将半导体材料与强大的异养微生物相结合，大大提高了酵母细胞中的NADPH水平，并成功合成了更复杂的精细分子(莽草酸)，从而实现了更高效、更有价值的有机分子生物合成。
设计组装在本研究中，我们使用莽草酸作为目标化合物来测试这种新的无机-微生物复合物的合成能力和生产效率。莽草酸是抗病毒药物达菲的前体。它也是其他几种药物、保健品和精细化学品的重要前体，具有重要的应用价值。为了增强酵母对有机碳源的利用率，并测试无机纳米材料是否有助于增加NADPH的量，我们首先对酵母进行基因改造，删除其主要的NADPH产生途径(图2B)，获得的酵母菌株(酿酒酵母zwf1)有效合成莽草酸；此外，我们还通过调控几个关键基因，丰富了莽草酸前体分子——3-脱氢莽草酸DHS的大量合成。我们研究的主要创新点是通过纳米模块化组装将高性能无机半导体磷化铟纳米颗粒安装在酵母表面(图2A)。此外，天然多酚修饰的纳米粒子细胞毒性低，对酵母细胞无明显损伤，生物相容性高。在光照条件下，无机纳米粒子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，该复合体系中NADPH//NADP+的比例甚至高于正常产NADPH酵母，揭示了该复合平台能有效提高NADPH的比例。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转化。随着酵母细胞中NADPH水平的恢复，还原性生物合成反应得以进行，先前丰富的莽草酸前体(3-脱氢莽草酸DHS)可以成功转化为莽草酸(图2C，d)。而且在光照条件下(图3)，莽草酸产量和碳源利用率显著提高。图3光反应生物合成的场景此前，南京大学赵进研究组将CdS半导体纳米粒子与大肠杆菌组装，构建了复合结构的光催化体系，并将其应用于光驱动生物制氢。有一个关键问题需要进一步研究，那就是如何在细菌系统中实现光转换电子的转移。此前，杨培东教授的团队首先提出了细胞膜氢化酶的电子转移机制。在我们的研究中，由于酵母具有细胞壁，我们认为酵母细胞壁的多糖聚合物可能是纳米粒子和细胞膜之间电子“跳跃”的媒介。
应用前景需要指出的是，现有的合成生物学已经可以实现莽草酸的高效合成，我们新的“微化工厂”并不是莽草酸单分子合成的最优系统。然而，通过莽草酸的生物合成，我们阐明了新的模块化微生物复合平台的基本原理，也证明了该系统可以有效地再生NADPH，为未来更复杂、更具挑战性和更有价值的生物合成奠定了重要的科学基础。例如，酵母中苄基异喹啉生物碱的产生直接依赖于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类天然产物和其他药物的工业生产效率。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，为今后设计和制备先进的无机-微生物复合体提供理论支持。参考文献:郭等，酵母生物杂交中的光驱动精细化学品生产。科学，2018，362: 813-816。郭等，多酚功能化构件的超结构模块化组装。自然纳米技术，2016，11: 1105-1111。Kelsey K. Sakimo to等人，用于太阳能到化学产品的非光合细菌的自光敏化。科学，2016，351: 74-77。Wei Wei等人，空气中光驱动制氢的表面显示生物混合方法。科学进展，2018，4: eaap9253。
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