科學家們最近學會了如何使用光來控制特定的神經(jīng)元群，以更好地了解大腦的運作，這一發(fā)展已經(jīng)改變了神經(jīng)科學領域。

普林斯頓大學的研究人員現(xiàn)在已采用類似的方法來控制活細胞的新陳代謝或基本化學過程。在一系列實驗中，他們使用光來控制轉(zhuǎn)基因酵母并增加其具有商業(yè)價值的化學品的產(chǎn)量。這些結(jié)果為科學家提供了一種強大的新工具，可用于探測和了解細胞的內(nèi)在工作。

“這種技術(shù)使我們能夠以前所未有的方式控制細胞的新陳代謝，”化學和生物工程助理教授兼普林斯頓安德林格能源與環(huán)境中心的聯(lián)合首席研究員JoséL。Avalos說。“它打開了用光控制新陳代謝的大門。”

酵母幾個世紀以來一直用于制作面包，葡萄酒和啤酒。通過發(fā)酵，酵母細胞將糖轉(zhuǎn)化為化學物質(zhì)，使面包上升并將葡萄汁變成葡萄酒。普林斯頓研究人員利用他們的新技術(shù)，現(xiàn)在使用發(fā)酵和基因工程酵母生產(chǎn)其他化學品，包括用于食品生產(chǎn)和生物塑料的乳酸，以及異丁醇，一種商品化學品和先進的生物燃料。

光在實驗中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，因為它允許研究人員切換他們添加到酵母細胞中的基因。這些特定的基因?qū)饷舾?，可以觸發(fā)或抑制它們的活動。在一種情況下，打開和關(guān)閉藍光導致特殊酵母在產(chǎn)生乙醇(正常發(fā)酵產(chǎn)物)和異丁醇之間交替，異丁醇是通常以足夠高的濃度殺死酵母的化學物質(zhì)。

生產(chǎn)這些化學物質(zhì)的成果是顯著的，但研究人員對光在代謝研究中更廣泛作用的發(fā)展感興趣。

“它提供了一種新工具，能夠進行復雜的實驗，以確定新陳代謝的工作原理以及如何設計它，”Avalos說。

在3月21日發(fā)表在“ 自然 ”雜志上的一篇論文中，研究人員報告稱，他們使用光來增加酵母中化學異丁醇的產(chǎn)量比同行評審研究中先前報道的水平高5倍。研究人員使用酵母酵母菌的基因修飾菌株。釀酒廠在實驗中。

異丁醇是一種醇，用于潤滑劑，汽油和噴氣燃料替代品以及塑料等產(chǎn)品中。異丁醇與汽油基礎設施具有良好的兼容性，具有可以直接替代汽油作為汽車燃料的特性。然而，大多數(shù)產(chǎn)生異丁醇生物燃料的嘗試已經(jīng)遇到涉及成本或?qū)⑸a(chǎn)規(guī)模擴大到工業(yè)水平的困難。雖然天然酵母發(fā)酵產(chǎn)生異丁醇，但它的含量極少。相反，酵母會產(chǎn)生大量的乙醇(啤酒和葡萄酒中的酒精)和二氧化碳(一種使面包上升的氣體)。

“酵母不想制造任何東西，除了乙醇;他們所有的系統(tǒng)都已經(jīng)發(fā)展到了這一點，”Evan M. Zhao說，他是一名三年級博士。Avalos實驗室的學生和Nature論文的主要作者。“這是一個古老的問題。”

研究人員試圖克服這一障礙。他們設法通過基因工程來抑制酵母的進化自身利益，從而產(chǎn)生大量的異丁醇。但他們遇到了一個重大問題。異丁醇對酵母有毒，并最終殺死產(chǎn)生任何顯著量的酵母菌落。研究人員預測，他們可以結(jié)合基因工程和光來微調(diào)異丁醇的生產(chǎn)。研究人員利用他們的光開關(guān)技術(shù)，著手保持酵母的存活，同時最大限度地提高異丁醇的產(chǎn)量。

研究人員首先將一種可被藍光控制的海洋細菌的修飾基因置于酵母DNA中。然后，他們利用光來打開一種化學過程，通過食用葡萄糖和分泌乙醇來激活酵素，使酵母自然生長和繁殖。但是，雖然這些酶是活躍的，但影響異丁醇生產(chǎn)的酶卻無法發(fā)揮作用。因此，團隊轉(zhuǎn)向黑暗，關(guān)閉生產(chǎn)乙醇的酶，為競爭對手的表達騰出空間。

分子生物學助理教授兼聯(lián)合首席研究員杰瑞德·E·托特徹說：“通常情況下，光會轉(zhuǎn)向表達，但我們也必須弄清楚如何讓光線不再轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N表現(xiàn)形式。”

鑒于酵母細胞在自然發(fā)酵過程受到干擾時會死亡，趙明說：“酵母生病了。他們不再做任何事了;他們只是停下來。”

研究人員每隔幾個小時就會讓細胞發(fā)出藍光，從而使細胞生長。在它們之間，他們關(guān)閉了燈，將他們的新陳代謝從動力生長轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)異丁醇。在細胞完全停止之前，研究人員分散了更多的光線。

“足以讓細胞保持活力，”Toettcher說道，“但仍然會生產(chǎn)出你想要的大量產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品只能在黑暗中生產(chǎn)。”

使用光來控制酵母的化學產(chǎn)品與純基因工程或化學添加劑相比，具有幾個優(yōu)勢。首先，光比大多數(shù)替代品更快，更便宜。它也是可調(diào)節(jié)的，這意味著打開和關(guān)閉它可以在發(fā)酵過程中的任何一點在現(xiàn)場切換活細胞的功能(與化學物質(zhì)相反，化學物質(zhì)一旦添加就不能關(guān)閉。)此外，與在整個細胞中擴散的化學操縱器不同，光可以應用于特定基因而不影響細胞的其他部分。

光遺傳學，因為使用光來控制基因，已被用于神經(jīng)科學和其他領域，但這是該技術(shù)的第一個應用，用于控制化學生產(chǎn)的細胞代謝。麻省理工學院化學工程教授Gregory Stephanopoulos沒有參與普林斯頓大學的研究，稱其為代謝工程領域的轉(zhuǎn)折點。

“它為控制微生物培養(yǎng)中的基因表達提供了一種全新的方法，”Stephanopoulos教授說。

這份工作和最終的論文是Avalos和Toettcher實驗室之間跨學科合作的結(jié)晶。

兩人都在2015年冬天開始在普林斯頓工作，并立即看到了合作的機會。趙在兩個實驗室工作。

“在我們的第一個月內(nèi)，我們想用光來控制代謝工程，”Toettcher說。

Avalos說研究人員正在努力改善他們的結(jié)果。他們最近測試了不同顏色的光來激活各種蛋白質(zhì)，并縮短酵母生產(chǎn)所需化學品所需的時間。但他說他們最終會擴大他們的工作范圍。

“我們打算繼續(xù)推動，”阿瓦洛斯說。“但代謝工程超越了工業(yè)微生物學。它還使我們能夠研究細胞代謝以解決與健康相關(guān)的問題。您可以控制任何環(huán)境中的新陳代謝，用于工業(yè)生物學或解決醫(yī)學問題。”