了解细菌的新陈代谢可以改善生物燃料的产生

一项新的研究揭示了细菌如何控制食用“食物”所产生的化学物质。这种见解可能会导致有机体更有效地将植物转化为生物燃料。这项研究由加州大学河滨分校和西北太平洋国家实验室的科学家撰写，已发表在《皇家学会接口》 杂志上。

在本文中，作者描述了数学和计算模型，人工智能算法和实验，这些实验表明细胞具有故障保护机制，可防止细胞产生过多的代谢中间体。

大肠杆菌(用于生产生物燃料的细菌)的彩色扫描电子显微照片。图片来源：NIAID

代谢中间体是在代谢中将每个反应彼此耦合的化学物质。这些控制机制的关键是酶，它可以加速涉及生物学功能(例如生长和能量产生)的化学反应。

细胞新陈代谢由一堆酶组成。当细胞遇到食物时，一种酶将其分解成一个分子，该分子可以被下一个酶利用，并最终产生能量。 。

这些酶不能产生过量的代谢中间体。它们产生的量由细胞中已经存在多少该产物控制。

坎农说：“通过这种方式，代谢物的浓度不会太高，以至于细胞内的液体变得浓稠，像糖蜜一样黏糊糊，可能导致细胞死亡。”

制造与石油具有成本竞争力的生物燃料的障碍之一是将植物材料转化为乙醇的效率低下。通常，大肠杆菌被改造成分解木质素(植物细胞壁的坚硬部分)，因此可以发酵为燃料。

该研究的合著者和UCR杰出的数学教授Mark Alber表示，该研究是该项目的一部分，旨在了解细菌和真菌共同作用以影响植物生长为生物燃料的根。

坎农说：“用于生物燃料的工程菌的问题之一是，在大多数情况下，该过程只会使细菌生病。” “我们推动它们过度生产蛋白质，蛋白质变得不舒服-它们可能会死亡。我们从这项研究中学到的知识可以帮助我们更智能地设计它们。”

知道需要防止哪些酶过度生产，可以帮助科学家设计出能够产生更多所需而更少不需要的细胞。

该研究采用数学控制理论，该理论学习系统如何控制自身，以及机器学习来预测需要控制哪些酶以防止代谢物过多堆积。

当这项研究研究了产生细胞能量的中枢代谢时，坎农说，研究团队希望研究细胞代谢的其他方面，包括次级代谢(蛋白质和DNA的制造方式)以及细胞之间的相互作用。

坎农说：“我在一个手工完成这种事情的实验室里工作，花了几个月的时间才了解一种特定酶的调控方式。” “现在，使用这些新方法，可以在几天内完成，这非常令人兴奋。”

美国能源部试图使美国的能源多样化，并为这项为期三年的研究项目提供了210万美元的资助。

该项目也是新建立的UCR生物学定量建模跨学科中心正在进行的更广泛计划的一部分。

尽管该项目专注于细菌代谢，但了解细胞如何自我调节和控制的能力也可能有助于开发新的抗击疾病的策略。

“我们专注于细菌，但是这些相同的生物学机制和建模方法适用于已经失调的人类细胞，这就是一个人患有癌症时发生的情况，”阿尔伯说。“如果我们真的想了解为什么细胞会表现出这种行为，那么我们就必须了解这一规定。”

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