外部光源促进大肠杆菌的化学生产

工程微生物是生物制造中的标准生产工具，但对三磷酸腺苷(ATP)作为微生物生长和化学合成燃料的能源的需求限制了化学生产。

日本科学家正在通过使用光作为外部能源来解决这个问题。具体来说，他们将视紫红质(一种光激活质子泵)引入大肠杆菌中以产生ATP，而不涉及细胞的天然机制——三羧酸循环(TCA)循环和呼吸链。

正如一篇论文所述，在建立3-羟基丙酸、甲羟戊酸和谷胱甘肽的概念验证后，研究人员开发了增强功能。大阪大学的YoshihiroToya博士告诉GEN，仅向表达视紫红质的菌株添加光照，“与在黑暗中培养细胞相比，3-羟基丙酸的生产率和产量分别提高了2.43倍和2.55倍”。

Toya随后创造了具有更有效泵送能力的超级视紫红质。“与在黑暗下培养相比，在光下培养的超级视紫红质表达菌株中的谷胱甘肽含量增加了2.3倍，”Toya说。

神户大学同事石井淳的团队开发了另外两种菌株来提供视网膜以激活视紫红质，并优化了适当代谢途径中的基因表达。神户大学项目负责人KiyotakaY.Hara的团队随后将这三个系统集成到大肠杆菌菌株中，该菌株根据其接收到的光产生相应的产物。

有两个主要好处。首先，“为大肠杆菌细胞提供自我供应视网膜的能力有助于降低培养成本，因为视网膜很昂贵，”Toya说。其次，他们将视紫红质表达系统从化学(异丙基β-D-1-硫代半乳糖苷-IPTG)诱导(高浓度时会损害大肠杆菌生长)转变为组成型表达，从而扩大了其在生物生产中的适用性。减少二氧化碳排放(由于不使用TCA循环而产生)是一个附带好处。

“在扩建现有的工业微生物发酵罐时，需要使用LED设备从罐内照亮培养液，”Toya在谈到商业生产时说道。“本研究中使用了白色LED光，但由于视紫红质吸收波长约为540nm的光，因此绿光照明更为合适。我们还在考虑是否需要专门针对大肠杆菌的光照射培养系统。”

为了准备该方法的商业化，下一步是改进表达视紫红质的大肠杆菌中的化学生产和视紫红质的质子泵活性，并扩展该方法以在大肠杆菌和其他宿主物种中生产有用的化合物。

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