随着气候变化继续对我们的星球造成更大的破坏，科学家们正在努力寻找更高效、更清洁的方式来为地球供电。对产生大量温室气体和其他废物的常见石化过程的一种有吸引力的替代方法可能来自生物系统。
Northwestern Engineering 的 Michael Jewett 和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员最近的工作促进了对生化途径的理解和生物系统化学生产率的提高。这些发现可以让我们更接近于实施可持续的替代品来合成材料、燃料和其他石油衍生产品。
8 月 26 日发表在Nature Communications杂志上的论文“An Integrated In Vivo/In Vitro Framework to Enhance-Cell-Free Biosynthesis with Metabolically Rewired Yeast Extracts”描述了使用细胞的优化体外生物合成(生化生产)过程的发展。酿酒酵母(啤酒酵母)工程菌株的提取物。该论文与麦考密克工程学院化学与生物工程教授 Walter P. Murphy 教授 Jewett 一起由 Jewett 实验室的博士生 Blake Rasor 撰写。该调查是与德克萨斯大学奥斯汀分校教授 Hal Alper 的研究小组合作进行的。
这项工作得到了美国能源部联合基因组研究所新兴技术机会计划 (ETOP) 的支持。ETOP 为新技术的开发提供资金，这些新技术提供给全球研究人员，这些研究人员利用 JGI 的用户计划来推进能源和环境应用。
数十年的代谢研究和遗传工具开发使酿酒酵母成为高度可控的生化生产框架。除了在烘焙和酿造方面的历史应用之外，这种酵母还被设计用于生产无数用于工业和治疗应用的目标分子。
然而，细胞生产系统在制造更多细胞和制造工程产品之间存在内部拉锯战。Jewett 的团队通过将生物机器从细胞中分离出来并使用提取的材料进行无细胞生化反应来避免这些生长和生存能力的限制，这使得在活细胞中不易调整的杠杆得以优化。
以前，粗细胞提取物的无细胞生物合成工作主要使用未修饰的大肠杆菌菌株。研究人员通过使用酿酒酵母的提取物并结合细胞代谢工程技术来增强无细胞反应的生物合成潜力，从而扩大了这项技术的范围。这表明细胞中的代谢重组产生的提取物比野生型(未改变的)提取物和相应的细胞培养物具有更大的体积输出。
具体而言，三种化学产品(丁二醇、甘油、衣康酸)的无细胞生产速度比相应的细胞方法快 10 倍，这表明将细胞工程与无细胞生物合成相结合具有灵活性和有效性。
“这可以扩大支持可持续性努力的生物平台的广度，”Rasor 说。
“我们的工作进一步加入了一个新兴的科学领域，该领域寻求使用来自粗细胞提取物的无细胞系统来设计细胞功能、按需生物制造和便携式诊断，”合成生物学中心主任 Jewett 说。“事实上，这些努力正在扩大生物制造的定义，以建立可持续的生物经济。”
至于接下来的步骤，Jewett 说他和他的合作者正在这项工作的基础上，在改变代谢的背景下进行通路原型设计和无细胞生物制造，以补充当前基于细胞的方法。
“将整合的细胞/无细胞代谢工程策略扩展到生产其他增值生化产品的酵母菌株并增加无细胞反应的规模，可以率先开发可持续的、经济可行的替代当前化学生产工艺的替代方案，”他说。
