ATP在生物制造中的作用：波动的细胞能量驱动微生物生物生产

在生物制造工作中，对微生物罐进行了微调，以生产可用于碳中和燃料、化学品、材料和药物的化合物，但研究人员仍在学习如何将微生物涡轮增压用于生产的基本知识。为此，圣路易斯华盛顿大学的工程师们探索了ATP在微生物代谢中的作用

腺苷-5'-三磷酸（ATP）是为许多细胞过程提供燃料的主要能源货币，但其水平在制造过程中使用的微生物中波动很大，因此绘制ATP水平与微生物生长和营养质量之间的联系以及这如何影响微生物产品的产量至关重要

McKelvey工程学院能源、环境和化学工程教授、先进材料合成生物制造研究中心（SMARC）联合主任张福忠领导了这项研究，以了解各种发酵条件下的ATP动力学，并开发了一种具有成本效益的方法，通过补充促进ATP的碳源来提高生物产量。研究结果于6月21日发表在《自然通讯》上

“这项研究对理解微生物能量稳态、优化生物生产过程和确定代谢负担来源具有广泛的意义，”张实验室的博士生、论文第一作者穆新跃说

这项工作使用基因编码的ATP生物传感器来探索各种微生物细胞和发酵条件下ATP浓度的快速变化。他们发现，用不同的碳源喂养微生物会产生非常不同的ATP动力学

在常用于发酵的测试碳中，乙酸盐在大肠杆菌中诱导的ATP水平最高，而发酵工业广泛使用的微生物假单胞菌更喜欢一种称为油酸的脂肪酸

“通常情况下，你不会认为乙酸盐是大肠杆菌的良好碳源，”穆说，并指出乙酸盐被认为是葡萄糖代谢的副产品，是大肠杆菌在摄入葡萄糖时排出的东西。“事实上，通过给它喂食醋酸盐，我们看到更高的ATP水平与目标产物的产量提高有关。”

这对使用醋酸盐作为原料也是个好消息，因为McKelvey Engineering的研究人员也在研究将二氧化碳转化为醋酸盐的方法

恶臭假单胞菌产生一种称为聚羟基烷酸酯（PHA）的生物塑料。在这种情况下，给P.putida喂食其优选的原料——脂肪酸——大大提高了PHA含量、产量和生产力

除了为发酵寻找有益的碳源外，ATP生物传感器还将光线照射到细胞复杂的代谢过程中

柠檬烯可以通过微生物生产并用作可再生溶剂或喷气燃料，但其生物生产会严重吸收ATP，降低细胞生长和柠檬烯产量

使用ATP生物传感器，他们开始了解柠檬烯生物合成酶的表达如何影响ATP平衡，以及如何相应地调节酶的表达以保持高产率

“这项工作不仅阐明了ATP动力学与生物生产之间的关系，而且提供了一种简单有效的策略，通过选择对ATP有益的原料来提高生物生产。这对各种生物制造系统都很有用，”张说 More information: Xinyue Mu et al, ATP biosensor reveals microbial energetic dynamics and facilitates bioproduction, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49579-1

Journal information: Nature Communications