科学家们最近学会了如何使用光来控制特定的神经元群，以更好地了解大脑的运作，这一发展已经改变了神经科学领域。
普林斯顿大学的研究人员现在已采用类似的方法来控制活细胞的新陈代谢或基本化学过程。在一系列实验中，他们使用光来控制转基因酵母并增加其具有商业价值的化学品的产量。这些结果为科学家提供了一种强大的新工具，可用于探测和了解细胞的内在工作。
“这种技术使我们能够以前所未有的方式控制细胞的新陈代谢，”化学和生物工程助理教授兼普林斯顿安德林格能源与环境中心的联合首席研究员JoséL。Avalos说。“它打开了用光控制新陈代谢的大门。”
酵母几个世纪以来一直用于制作面包，葡萄酒和啤酒。通过发酵，酵母细胞将糖转化为化学物质，使面包上升并将葡萄汁变成葡萄酒。普林斯顿研究人员利用他们的新技术，现在使用发酵和基因工程酵母生产其他化学品，包括用于食品生产和生物塑料的乳酸，以及异丁醇，一种商品化学品和先进的生物燃料。
光在实验中发挥了关键作用，因为它允许研究人员切换他们添加到酵母细胞中的基因。这些特定的基因对光敏感，可以触发或抑制它们的活动。在一种情况下，打开和关闭蓝光导致特殊酵母在产生乙醇(正常发酵产物)和异丁醇之间交替，异丁醇是通常以足够高的浓度杀死酵母的化学物质。
生产这些化学物质的成果是显着的，但研究人员对光在代谢研究中更广泛作用的发展感兴趣。
“它提供了一种新工具，能够进行复杂的实验，以确定新陈代谢的工作原理以及如何设计它，”Avalos说。
在3月21日发表在“ 自然 ”杂志上的一篇论文中，研究人员报告称，他们使用光来增加酵母中化学异丁醇的产量比同行评审研究中先前报道的水平高5倍。研究人员使用酵母酵母菌的基因修饰菌株。酿酒厂在实验中。
异丁醇是一种醇，用于润滑剂，汽油和喷气燃料替代品以及塑料等产品中。异丁醇与汽油基础设施具有良好的兼容性，具有可以直接替代汽油作为汽车燃料的特性。然而，大多数产生异丁醇生物燃料的尝试已经遇到涉及成本或将生产规模扩大到工业水平的困难。虽然天然酵母发酵产生异丁醇，但它的含量极少。相反，酵母会产生大量的乙醇(啤酒和葡萄酒中的酒精)和二氧化碳(一种使面包上升的气体)。
“酵母不想制造任何东西，除了乙醇;他们所有的系统都已经发展到了这一点，”Evan M. Zhao说，他是一名三年级博士。Avalos实验室的学生和Nature论文的主要作者。“这是一个古老的问题。”
研究人员试图克服这一障碍。他们设法通过基因工程来抑制酵母的进化自身利益，从而产生大量的异丁醇。但他们遇到了一个重大问题。异丁醇对酵母有毒，并最终杀死产生任何显着量的酵母菌落。研究人员预测，他们可以结合基因工程和光来微调异丁醇的生产。研究人员利用他们的光开关技术，着手保持酵母的存活，同时最大限度地提高异丁醇的产量。
研究人员首先将一种可被蓝光控制的海洋细菌的修饰基因置于酵母DNA中。然后，他们利用光来打开一种化学过程，通过食用葡萄糖和分泌乙醇来激活酵素，使酵母自然生长和繁殖。但是，虽然这些酶是活跃的，但影响异丁醇生产的酶却无法发挥作用。因此，团队转向黑暗，关闭生产乙醇的酶，为竞争对手的表达腾出空间。
分子生物学助理教授兼联合首席研究员杰瑞德·E·托特彻说：“通常情况下，光会转向表达，但我们也必须弄清楚如何让光线不再转变为另一种表现形式。”
鉴于酵母细胞在自然发酵过程受到干扰时会死亡，赵明说：“酵母生病了。他们不再做任何事了;他们只是停下来。”
研究人员每隔几个小时就会让细胞发出蓝光，从而使细胞生长。在它们之间，他们关闭了灯，将他们的新陈代谢从动力生长转移到生产异丁醇。在细胞完全停止之前，研究人员分散了更多的光线。
“足以让细胞保持活力，”Toettcher说道，“但仍然会生产出你想要的大量产品，而这些产品只能在黑暗中生产。”
使用光来控制酵母的化学产品与纯基因工程或化学添加剂相比，具有几个优势。首先，光比大多数替代品更快，更便宜。它也是可调节的，这意味着打开和关闭它可以在发酵过程中的任何一点在现场切换活细胞的功能(与化学物质相反，化学物质一旦添加就不能关闭。)此外，与在整个细胞中扩散的化学操纵器不同，光可以应用于特定基因而不影响细胞的其他部分。
光遗传学，因为使用光来控制基因，已被用于神经科学和其他领域，但这是该技术的第一个应用，用于控制化学生产的细胞代谢。麻省理工学院化学工程教授Gregory Stephanopoulos没有参与普林斯顿大学的研究，称其为代谢工程领域的转折点。
“它为控制微生物培养中的基因表达提供了一种全新的方法，”Stephanopoulos教授说。
这份工作和最终的论文是Avalos和Toettcher实验室之间跨学科合作的结晶。
两人都在2015年冬天开始在普林斯顿工作，并立即看到了合作的机会。赵在两个实验室工作。
“在我们的第一个月内，我们想用光来控制代谢工程，”Toettcher说。
Avalos说研究人员正在努力改善他们的结果。他们最近测试了不同颜色的光来激活各种蛋白质，并缩短酵母生产所需化学品所需的时间。但他说他们最终会扩大他们的工作范围。
“我们打算继续推动，”阿瓦洛斯说。“但代谢工程超越了工业微生物学。它还使我们能够研究细胞代谢以解决与健康相关的问题。您可以控制任何环境中的新陈代谢，用于工业生物学或解决医学问题。”