微生物經過基因工程改造后可用于生產各種有用的化合物，包括塑料，生物燃料和藥品。但是，在許多情況下，這些產品的合成需要與維持微生物生長的代謝途徑競爭。

為了優化微生物生產所需化合物的能力、同時維持其自身生長，麻省理工學院的科學家設計了一種方法，可以誘導細菌在不同時間在不同的代謝途徑之間進行切換。這種轉換開關被插入到細胞基因組中，由微生物種群密度的變化觸發，無需人工干預。利用這種轉換，研究人員可以將兩種不同的微生物產物的產量提高十倍。文章發表在PNAS上。麻省理工學院的研究生Christina Dinh是該論文的主要作者。Kristala Prather教授是通訊作者。
為了使微生物能合成生產我們需要的有用化合物——原本正常情況下細菌不產生的化合物，研究人員往往會在微生物基因組中插入特定的酶基因——產生所需產物的代謝途徑中的酶的基因。這種方法已用于生產許多復雜的產品，例如藥品和生物燃料。

在某些情況下，這些反應過程中產生的中間產物，正好也是細胞自身代謝途徑的中間產物。當細胞將這些中間產物轉移到生產途徑之外時，自然就會降低zui終產品的總產量。

通過利用一種稱為動態代謝工程學的概念，Prather先前已經構建了可幫助細胞維持其自身代謝需求與產生所需產物途徑之間的平衡的開關。她的想法是對細胞進行基因工程改造，使其在兩種途徑之間自動切換，而無需操作人員進行任何干預。

在2017年發表的一項研究中，Prather實驗室使用這種方法改造大腸桿菌以生產葡萄糖二酸，后者是尼龍和洗滌劑等產品的前體。研究人員的策略是基于群體感應——這通常是細菌細胞之間相互交流的現象：每種細菌都會分泌特定的分子，從而幫助它們感知附近的微生物并影響彼此的行為。當時研究小組改造了大腸桿菌細胞，以分泌一種叫做AHL的群體感應分子。當AHL濃度達到一定水平時，細胞就會關閉一種酶——該酶會將葡萄糖二酸前體轉移到細胞自身的代謝途徑之中。這種改造使細胞能夠正常生長和分裂，直到細菌群體密度大到足以開始產生大量所需產物時即轉換到進行生產。Prather說：“那篇論文是第一個證明我們可以讓細菌進行自主控制的論文。。。我們可以在開始時培養增殖細胞，然后將在適當的時候細胞自動轉換到生產途徑。

在新的PNAS論文中，Prather和Dinh著手將兩個轉換開關設計到大腸桿菌細胞中，從而實現對生產過程的更精細程度的控制。

他們使用了兩種來自不同細菌的群體感應系統，將這些系統整合到大腸桿菌中，并用于生產一種名為柚皮苷的化合物，柚皮苷是一種天然存在于柑橘類水果中的類黃酮，對健康有多種有益作用。

研究人員設計了一個轉換開關來防止細菌將丙二酰-CoA——柚皮素前體轉移到細胞自身的代謝途徑中，另一個轉換開關用于延遲生產途徑中一種酶的產生，以避免積累過多的前體，而該前體通常會抑制柚皮苷途徑。

Dinh說：“由于我們采用了來自兩個不同的群體感應系統中的不同成分，并且調節蛋白在兩個系統之間都是唯一的，因此我們可以獨立地改變每個途徑的切換時間。”

研究人員構建了數百個大腸桿菌變異體，可以不同的種群密度執行這兩個開關，從而使他們能夠識別出哪個生產力zui高。與沒有內置這些??控制開關的菌株相比，表現zui好的菌株顯示柚皮素產量增加了十倍。

更復雜的途徑

研究人員還證明，多轉換開關的方法可用于使大腸桿菌工程菌的水楊酸產量翻倍，而水楊酸是許多藥物的基礎。Prather說，該方法還可以幫助提高其他任何涉及細胞自身使用中間產物的產品生產。不過，研究人員尚未證明他們的方法可以在工業規模上使用，但是他們正在努力將方法擴展到更復雜的途徑，并希望在將來進行更大的測試。

Kristala Prather教授說：“我們希望可以對代謝進行更精確的調節，從而獲得更高的生產率，但同時又可以zui大程度地減少干預數量。。。我們認為新系統無疑具有更廣泛的適用性。。。該系統非常強大，因為它不需要在特定時間現場添加什么或對該過程進行任何調整，而是讓微生物細胞在內部進行跟蹤，以了解何時該 轉換到生產。”