加快生物系统设计以实现可持续的加快生物制造

西北大学的可持合成生物学家开发了一种新的快速原型系统，以加速生物系统的制造设计，从而将生产可持续性生物制造产品的加快时间从数月缩短至数周。

随着气候变化，生物设计实现生物人口增长和能源安全等全球挑战的系统续加剧，对使用可持续资源生产的可持低成本生物燃料和生物产品(如药品和材料)的需求日益增加。工业生物技术利用微生物细胞工厂来利用可将分子转化为所需化学产品的制造酶集合，已显示出解决这些需求的加快潜力。但是生物设计实现生物，在单元中设计，系统续构建和优化这些途径仍然复杂而缓慢，可持无法跟上需求的制造动态变化。

这个新平台称为生物合成酶的体外原型设计和快速优化(iPROBE)，提供了一个快速而强大的设计-构建-测试框架，以发现细胞代谢工程的最佳生物合成途径，这可能会影响来自以下领域的一系列行业(或问题)消费产品的清洁能源。

麦考密克化学与生物工程学教授沃尔特·P·墨菲和查尔斯·德林·麦考密克卓越教学教授说：“我们首次展示了无细胞平台可以为工业蜂窝系统提供信息并加快设计速度。”指导西北合成生物学中心的工程学院。“我们在大约两周内完成了传统上要花6到12个月的时间。我们的发现将有助于加快我们实现可持续生物制造实践的步伐。”

该平台利用了Northwestern在无细胞合成生物学方面的领导地位，并参与了最近由Jewett领导的三项研究。

杰维特说：“ iPROBE可以帮助科学家为各种可持续化学物质识别最佳的酶，并将其大规模地投入生产。”“我们将这种无细胞系统设想为引擎，以帮助实现未来的生物经济。”

采用无细胞方法

“体外原型和生物合成酶的单元设计的快速优化，” 6月15日发表在杂志上自然-化学生物学，介绍iPROBE是如何工作的。

为了生产可持续的化学物质，合成生物学家将蛋白质酶缝合在一起以进行单独的分子转化，将葡萄糖或二氧化碳等现成的库存转化为新产品。当前的测试方法要求这些酶在DNA中编码，置于单个质粒分子上，然后插入活细胞中。每次必须重复此过程以研究不同的酶，以期确定最佳的分组。

Jewett说：“结果是设计周期太慢了。”“我们最终需要数百个人的多年开发才能将产品推向市场。这太慢了，无法应对气候变化等挑战以及我们面临的其他快速增长的问题。”

iPROBE使用无细胞蛋白质合成功能丰富了试管中的生物合成酶以进行转化，从而绕过了工程生物的局限。该系统与洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)开发的计算设计算法相结合，可以快速研究途径酶的比例，在所需的多步途径的背景下调节单个酶，筛选高性能酶，并发现具有最佳功能的酶。

该论文的第一作者，Jewett实验室的研究员兼助理科学总监Ashty Karim说：“ iPROBE必须是多方面的且易于使用。”“我们着手设计一个平台，该平台可以测试数百种生物合成假说，而无需通过混合和匹配酶来重新设计微生物。”

Jewett将不同酶组合的混合匹配分析比作鸡尾酒。

杰维特说：“想象一下，您是一个调酒师，对制作完美的混合饮料感兴趣。您希望将所有可能使用的鸡尾酒成分汇总在一起。”“ iPROBE允许我们以这种基于鸡尾酒的方法混合和匹配酶，以确定进行可持续化学物质转化和合成的最佳组合，但我们无需花费数月至数年的时间，而是可以在数天内完成周。”

在梭菌中寻找最佳途径

为了验证iPROBE系统，研究人员开发了3-羟基丁酸酯(3-HB)和丁醇(一种自产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)中的两种有机化合物)的最佳生物合成途径，该细菌是由代谢的一氧化碳自然产生乙醇的细菌。

卡里姆说：“对我们来说，重要的是我们展示了该技术的实际应用。”“我们拥有这个理想的解决方案，只能通过正确的合作来实现加快生物技术研究和开发的步伐。”

在确定了体外最佳途径后，研究人员与清洁能源初创企业Lanzatech的合作者共享了这些途径，Lanzatech专门研究梭状芽胞杆菌菌株生产可持续燃料。那里的研究人员应用了这些途径，发现梭状芽胞杆菌中3-HB的产量增加了20倍，从而将iPROBE在实验室中的成功与工业环境联系在一起。

杰维特说：“与像梭状芽孢杆菌这样的生物一起工作是困难的;遗传工具并不那么复杂，通常缺乏高通量的工作流程，并且存在转化特质。”“成功进行这一过程将推动可持续发展的新视野。有什么能比将大气中的废气大规模转化为可持续性化学品更好的呢?”

柠檬烯和苯乙烯的合成

在《新陈代谢工程》杂志上发表的第二篇论文中，Jewett和他的团队专注于应用iPROBE优化柠檬烯的合成，柠檬烯是一种称为萜烯的有机化合物的成员。柠檬烯在橙皮和其他柑橘皮的油中发现，并为其带来果香。该分子不仅通常用于增强家用清洁剂和制成品的气味，而且还显示出有助于推进可持续燃料发展的潜力。

在短短几周内，iPROBE的无细胞方法导致了数百种酶组合的探索，从而合成了柠檬烯。

杰维特说：“过去，人们只能研究20或30种途径。”“我们展示了iPROBE如何应用于这种特殊的生物合成途径，并不仅可以扩展到100或200种途径，而且可以扩展到500种途径。它为无细胞系统如何加速重要的可持续化学品的生物设计树立了新标准。”

第三篇论文，也发表在《代谢工程》上，着眼于苯乙烯，这是一种石油衍生的分子，通常用于一次性银器和泡沫包装。尽管过去的努力已经尝试使用诸如大肠杆菌的活生物体来合成该分子，但是苯乙烯的天然毒性限制了其生产能力。Jewett和他的团队使用iPROBE通过迄今为止的生化方法合成了最高量的苯乙烯，而没有额外的工艺改进。

杰维特说：“这一进步为从依赖化石燃料的生产工艺转变为更具可持续性，基于生物合成的战略打开了一天的大门。”

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