圖1 左圖為計算機合成的半導體-酵母菌複合體；右圖為掃描電子顯微鏡圖展示的半導體-酵母菌複合體，其顏色為後期加入。紫色為天然多酚包裹的半導體納米顆粒，粉紅色為基因工程改造的酵母菌。

編者按

在《科學》（Science）雜誌2018年11月16日發表的一項研究中，研究者首次將半導體材料與異養細菌進行組裝，構建了一個能夠合成精細分子的「微型化工廠」，為今後高效合成更高價值的有機分子提供了新的平台。《知識分子》邀請到該研究的首要作者郭俊凌博士，為讀者講述他們是如何打造這個細胞生物工廠的。

撰文 | 郭俊凌（哈佛大學生物仿生Wyss研究所）

責編 | 李娟 蔣海宇

微生物具有易培養、增殖快的特點，結合成熟的基因工程設計，可被改造成小小的「生物化工廠」，生產合成出滿足人們需要的化合物。這些化合物在日常生活中隨處可見，它們廣泛存在於醫療藥品、護膚品、食品和飼料添加劑、農藥等。在微生物生物合成領域，最常用的一類微生物就是大腸桿菌和酵母菌。

近日，《科學》雜誌發布了我們團隊的一項最新研究工作，我們給微生物酵母菌裝備上無機納米材料，構建出了一個新型無機—微生物複合體平台，並成功應用於高效精細化合物的生物合成。

在這個複合體中，無機物半導體納米顆粒（磷化銦）被組裝在了酵母菌表面（圖1）。通過施加光照，半導體產生的電子能夠導入細胞質中並參與酵母菌的代謝合成。同時，我們使用基因工程設計改造了酵母菌的代謝途徑，從而能夠顯著地提高目標化合物的產率。該研究為高值化合物的生產提供了全新的合成平台。

「微型化工廠」：酵母菌

日常生活中，酵母菌可用於烘焙、釀酒等。通過基因工程的改造，酵母菌可以導入來自植物、細菌、動物的各種基因，這些基因在酵母菌細胞內部完成表達，從而實現上千種目標化合物的生物合成。

其中，具有標誌性意義的一個例子，就是使用酵母菌生產嗎啡等止痛藥物的前體：蒂巴因（thebaine）。此外，酵母菌還可用於生產抗瘧疾藥物青蒿素。基於此，這些藥物的獲取將可能不再受限於傳統的植物提取過程，而且在生產效率和產量方面得以大大提高。

目前，通過引入無機物，製備出無機-微生物/酶複合體，能夠高效地實現水裂解產氫、二氧化碳以及氮氣生物固定等目標，全世界許多頂尖的研究組（加州伯克利大學楊培東教授；美國國家可再生能源實驗室Paul King教授等）已在這個生物化學/材料科學的交叉領域做出了突出貢獻。但是，此前使用的微生物主要是自養性微生物，它們以太陽光為能量來源，其代謝途徑不易被操控，所能合成的目的產物範圍有限，而且僅能合成簡單的小分子。

酵母菌作為通過「吃糖」（碳源）來攝取能量的異養性微生物，在合成生物學領域展現了極為豐富的基因和代謝產物設計潛力。在酵母菌的合成代謝中，NADPH（還原形式的煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸鹽）是一種驅動代謝過程的核心輔酶。因此，增加微生物細胞內的NADPH量，一直是研發有效細胞生物工廠的核心科學問題。

在這項最新研究中，我們第一次將半導體材料與強大的異養性微生物結合，大大提高了酵母菌細胞內的NADPH水平，並成功合成出較為複雜的精細分子（莽草酸），實現了更高效、更高價值的有機分子生物合成。

設計組裝

在這項研究中，我們以莽草酸作為目標化合物，測試這款新型無機—微生物複合體的合成能力和生產效率。莽草酸是抗病毒藥物達菲（Tamiflu）的前體，也是其他幾種藥物、營養保健品和精細化學品的重要前體，有著重要的應用價值。

為了增強酵母菌對有機碳源的利用率，同時測試無機納米材料是否有助於增加NADPH的量，我們首先對酵母菌進行了基因工程改造，刪除了它本身主要的NADPH生成途徑（圖2B），所獲得的酵母菌株（S. cerevisiae ?zwf1）法有效地合成莽草酸；此外，我們還通過調控多個關鍵基因，富集了大量莽草酸前驅體分子的合成——3-脫氫莽草酸DHS。

我們這項研究的主要創新點在於通過納米模塊化的組裝方式，將高性能無機半導體磷化銦納米顆粒，安裝在了酵母菌表面（圖2A）。此外，因為使用了天然多酚修飾納米顆粒，使其具有較低的細胞毒性，對酵母細胞沒有明顯損傷，具有高度的生物相容性。

在光照條件下，無機納米顆粒可以將光能轉化為電子，從而驅動NADPH的還原和生成。通過研究發現，該複合物系統的NADPH//NADP+的比率甚至高於正常NADPH生成的酵母，從而揭示了該複合體平台能夠有效提高NADPH的比例。

圖2 無機-酵母複合體的模塊化組裝及生物代謝途徑的基因工程改造

由於酵母細胞中的NADPH水平得以恢復，還原性生物合成反應也得以進行，之前大量富集的莽草酸前體（3-脫氫莽草酸DHS）能夠順利轉化生成莽草酸（圖2C，D）。而且，光照條件下（圖3），莽草酸的產量和碳源利用率均顯著增加。

圖3 光反應生物合成反應進行的場景

此前，南京大學趙勁課題組用CdS半導體納米顆粒與大腸桿菌組裝，構建了具有複合結構的光催化系統，並將其應用於光碟機動生物產氫。這裡有個關鍵問題尚需進一步研究，即細菌系統中的光轉化電子的傳遞是如何實現的。之前，楊培東教授團隊首先提出了細胞膜氫化酶電子傳遞機制。在我們的研究中，由於酵母菌具有細胞壁，我們認為酵母細胞壁的多糖聚合物可能是納米顆粒與細胞膜之間電子「跳躍」的媒介。

應用前景

需要指出的是，現有合成生物學已經可以實現莽草酸的高效合成，我們的這款新型「微型化工廠」並不是莽草酸單一分子合成的最優系統。但是，通過對莽草酸的生物合成，我們闡明了該新型模塊化微生物複合物平台的基礎原理，同時也證明了該系統可以有效再生NADPH，為未來更複雜、更有挑戰、更高價值的生物合成奠定了重要科學基礎。

例如，建立在酵母菌中的苄基異喹啉生物鹼的生產需要直接依賴於由NADPH驅動的細胞色素P450氧化還原酶的參與。因此，通過進一步的工業放大，我們提出的技術可以提高生物鹼天然產物和其他藥物的工業化生產效率。

在基礎科學層面，我們的研究將推動無機-微生物複合體中電子傳遞機制和代謝調控的探索，為未來先進無機-微生物複合體的設計和製備提供理論支持。

參考文獻：

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Junling Guo et al., Modular assembly of superstructures from polyphenol-functionalized building blocks. Nature Nanotechnology, 2016, 11: 1105-1111.

Kelsey K. Sakimo to et al., Self-photo sensitization of nonphotosynthetic bacteria for solar-to-chemical production. Science, 2016, 351: 74-77.

Wei Wei et al., A surface-display biohybrid approach to light-driven hydrogen production in air. Science Advances, 2018, 4: eaap9253.

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