華人學者巧妙利用細胞的職業道德

　　最近，華盛頓大學的一個工程師團隊，提出了一種方法，通過利用細胞的職業道德，來提高生物燃料、藥物、材料和其他有用化學物質的生產。

　　該研究小組，由工程與應用科學學院能源、環境與化學工程助理教授張福中（Fuzhong Zhang）帶領，發現基因完全相同的微生物細胞，有不同的職業道德。該團隊開發了一種工具，以確保勤勉的細胞能保持努力工作，而好吃懶做的細胞則被淘汰。這一研究發表在3月21日出版的《Nature Chemical Biology》。

　　當設計細菌生產有用的化學物質時，來自同一祖先的細胞，通常執行不同的任務。通過利用工程設計的大腸桿菌菌株，張博士的團隊證明，只有一小部分的細胞努力工作，生產所需的化學物質，而其他大部分的細胞則滿足于不工作，但卻攝食為工作細胞提供的營養成分。他們發現，不同的職業道德，不是由非預期的基因突變所導致的，而是由生物學中的“噪音”造成的，這是大自然固有的，不可能消除的。

　　為了防止懶惰的細胞浪費營養物，張博士的研究團隊開發了一種質量控制工具，稱為PopQC，能夠使勤勞的、高性能的細胞工作，同時消除低表現不佳的細胞。該研究小組將一個傳感器放置在細胞內，其可以感受到每一個細胞做了多少工作。如果傳感器確定一個細胞正在制造很多的產品，傳感器就會觸發一個控制器，制造一種蛋白質，使細胞能夠存活和成長。如果傳感器檢測到細胞工作不夠努力，它就保持沉默，并且懶惰的細胞會因缺乏營養而死亡，或被抗生素破壞。

　　研究小組將PopQC應用于兩個大腸桿菌工程菌株：一個旨在產生游離脂肪酸——生物燃料或其他大容量化合物的前體；另一個菌株旨在產生酪氨酸——一種氨基酸，可能是藥物的前體。張博士說，PopQC可讓勤勞的細胞在兩種培養物中占據主導地位，并導致游離脂肪酸和酪氨酸的總體產量提高了三倍。

　　張博士說：“PopQC可適用于多種生物合成途徑和宿主生物體，只要有合適的傳感器存在，檢測工程細菌中的產物。由于噪聲是生物學中普遍存在的問題，所以這項工作的設計原則，應鼓勵來自許多其他領域的工程師，提高該工程系統的效率。”

　　在該大學技術管理辦公室的援助下，張博士已就這一設計原則進行了ZL申請。張博士2003年在北京大學獲得化學學士學位，之后在加拿大麥克馬斯特大學獲碩士學位，多倫多大學獲博士學位，曾在勞倫斯伯克利國家實驗室從事博士后研究，目前是圣路易斯華盛頓大學助理教授，他從2009年開始專注自然生物技術領域，發表過多項研究。張博士的研究興趣集中于：應用合成生物學方法，來開發微生物系統，可持續地生產生物燃料、化學品和具有定義結構和可控性能的材料。他也感興趣的是，開發某種工具，使工程微生物合成目標產品，并更有效和有力地執行復雜的任務。