细菌和酵母等基因工程微生物长期以来一直被用作生产药物和精细化学品的生产工厂。最近，研究人员开始将细菌与半导体技术相结合，类似于屋顶上的太阳能电池板，从光中收集能量，当与微生物表面结合时，可以提高其生物合成潜力。
第一个“生物-无机混合系统”(bio-hybrid)主要关注大气二氧化碳的固定和替代能源的生产。虽然它非常有希望，但它也揭示了关键的挑战。例如，到目前为止，由有毒金属制成的半导体直接组装在细菌细胞上，并且在这个过程中经常被损坏。此外，最初对固碳微生物的关注将产品范围限制在相对简单的分子上；如果能够基于配备有更复杂新陈代谢的微生物产生生物混血儿，这将开辟一条新的途径来生产更广泛的可用于许多应用的化学物质。
现在，在科学研究方面，由哈佛大学生物灵感工程学院和约翰保尔森工程与应用科学学院()的核心学院成员尼尔乔希(Neel Joshi)和博士后研究员郭(音译)和米格列苏阿斯泰吉(MigueSuStegui)领导的多学科团队，推出了应对这些挑战的高度适应性解决方案。
“虽然我们的策略在概念上是基于我们的合作者丹尼尔诺切拉等人设计的早期细菌生物杂交系统，但我们将这一概念扩展到了酵母——一种已经是工业主力军且在基因上易于操作的生物——使用模块化半导体为酵母的代谢机制提供生物化学能量而没有毒性，”Wyss研究所的核心教师、SEAS大学副教授Joshi博士说。合著者诺切拉是哈佛大学帕特森洛克伍德能源教授。由于联合操作，酵母生产莽草酸的能力显著增强。莽草酸是抗病毒药物达菲、其他几种药物、营养保健品和精细化学品的重要前体。
酿酒酵母自然产生莽草酸，产生一些合成蛋白质和其他生物分子的构件。然而，通过遗传修饰酵母的中枢代谢，研究人员使细胞能够收集其主要营养来源(葡萄糖)中包含的更多碳原子进入莽草酸的生产途径，并防止碳流失到替代途径。消灭其中一个。
“原则上，莽草酸增加的‘碳通量’应该会导致更高的产品水平，但在正常的酵母细胞中，我们破坏了增加产量的替代方式，重要的是，我们还提供了为莽草酸的最后一步提供燃料所需的能量。酸产量，”第一位合著者MiguelSustegui博士说，他是一名化学工程师，曾是Joshi团队的博士后研究员，现在是Joyn Bio LLC的科学家。为了改善碳高效但耗能的工程莽草酸途径，“我们假设我们可以生成相关的载能分子NADPH，而不是使用光捕获半导体的生物混合方法。”
为了实现这一目标，Sustegui与本研究的另一位共同对应和共同第一作者郭博士进行了合作，他现在是Joshi实验室具有化学和材料科学经验的博士后研究员。他们设计了一种使用磷化铟作为半导体材料的策略。为了使半导体元件真正模块化和无毒，我们用天然多酚基胶涂覆磷化铟纳米粒子，这使我们能够将它们附着在酵母细胞表面，同时将细胞相互隔离。金属的毒性，”郭说。
当结合到细胞表面并受到辐射时，半导体纳米粒子从光中收集电子(能量)并将其给予酵母细胞，酵母细胞通过细胞壁进入细胞质。在那里，电子提高了NADPH分子的水平，现在可以为莽草酸的生物合成提供燃料。“酵母生物杂交细胞，在黑暗中储存时，大多产生更简单的有机分子，如甘油和乙醇；但当暴露在光线下时，它们很容易转变成莽草酸的生产模式，产品水平提高了11倍，向我们展示了从光到细胞的能量传递是非常有效的，”Josh说。
“这种可扩展的方法为未来的生物混合技术创造了全新的设计空间。在未来的努力中，可以通过即插即用的方式改变半导体的性质和基因工程酵母细胞的类型，以扩大生物产品制造工艺的类型和范围，”郭先生说。
“创造光捕获和活细胞设备可以从根本上改变我们与自然环境的互动方式，并使我们在能源、药物和化学品的设计和生产中更具创造性和有效性，”Wyss Institute创始主任说。唐纳德因格博，医学博士，博士，也是HMS血管生物学、波士顿儿童医院血管生物学项目的尤达福克曼教授，SEAS生物工程教授。
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