ATP生物传感器揭示微生物平台的能量负担

生物制造依赖于微生物平台。为了提高效率，这些单细胞生产引擎必须最大化产出，同时最小化投入，包括能量投入，这些投入最终以腺苷-5'-三磷酸(ATP)的形式出现。但生物制造的维修人员究竟应该如何保持微生物平台的良好运行?

为了回答这个问题，华盛顿大学圣路易斯分校(WashU)的科学家深入研究了微生物代谢的本质。具体来说，他们采用了一种基因编码的ATP生物传感器来分析多种微生物菌株在不同生长阶段和碳源中的ATP动态。这项研究使科学家们能够阐明ATP动态与生物生产之间的关系，并提出提高各种微生物物种生物生产的建议。

详细信息最近发表在《自然通讯》上，题为“ATP生物传感器揭示微生物能量动力学并促进生物生产”。

“我们发现，在各种条件下，从指数增长阶段过渡到稳定增长阶段的过程中，ATP会短暂积累，这分别与大肠杆菌和假单胞菌中脂肪酸(FA)和聚羟基脂肪酸酯(PHA)的产生相吻合，”文章作者写道。“我们确定了碳源(大肠杆菌的乙酸盐，假单胞菌的油酸盐)可提高稳态ATP水平并促进FA和PHA的产生。此外，我们使用ATP动力学作为诊断工具来评估代谢负担，揭示限制柠檬烯生物生产的瓶颈。”

由于多种微生物菌株中ATP水平在不同生长阶段和碳源之间变化，因此确定ATP水平与微生物生长和营养质量之间的联系以及ATP水平如何影响微生物产品产量至关重要。然而，这些联系在很大程度上仍未得到探索。

华盛顿大学麦凯维工程学院FrancisAhmann教授兼先进材料合成生物制造研究中心(SMARC)联席主任张福忠博士带领团队进行了一项前人未曾涉足的领域。张福忠博士及其同事研究了各种发酵条件下的ATP动态，并开发了一种通过补充促进ATP的碳源来提高生物产量的经济有效方法。

张实验室博士生、论文第一作者穆欣月说：“这项研究对于理解微生物能量稳态、优化生物生产过程和识别代谢负担来源具有广泛的意义。”

张和同事发现，用不同的碳源喂养微生物会导致非常不同的ATP动态。“通常你不会认为乙酸盐是大肠杆菌的良好碳源，”穆说，她指出乙酸盐被认为是葡萄糖代谢的副产物，大肠杆菌在食用葡萄糖时会排泄出来。“实际上，通过喂养乙酸盐，我们看到更高的ATP水平与目标产品的产量增加有关，”她补充道。

对于那些有兴趣使用醋酸盐作为原料的人来说，这是一个令人鼓舞的结果。对于McKelvey的研究人员来说尤其如此，因为他们已经在研究将二氧化碳转化为醋酸盐的方法。

对于假单胞菌来说，首选原料是脂肪酸。它们显著提高了PHA含量、产量和生产力。

除了找到有利于发酵的碳源外，这项研究还表明，ATP生物传感器可用于阐明复杂的代谢过程。研究中考虑的工艺涉及柠檬烯的合成，该工艺通常产量较低。此外，该工艺因吸收ATP和降低细胞生长而臭名昭著。

“在大肠杆菌生产柠檬烯的过程中，异源酶表达显著降低了ATP水平，影响了柠檬烯产量，但对细胞生长没有显著影响，”文章作者报告说。“在从需要ATP的途径生产其他化学物质时，也可能存在类似的能量负担。因此，必须仔细调整异源蛋白质表达以保持ATP平衡，ATP传感器是识别对宿主细胞造成能量负担的蛋白质和反应的有力工具。”

张总结道：“这项研究不仅阐明了ATP动力学与生物生产之间的关系，还提供了一种简单有效的策略，即通过选择有利于ATP的原料来提高生物生产率。它对各种生物制造系统都很有用。”