概念验证方法推进生物工艺工程以实现向生物燃料的平稳过渡

生物工艺工程的主要目标之一是提高所需材料的产量，同时保持高生产率和低原材料利用率。这种优化通常是通过控制过程中使用的微生物的行为并确保其生物能力得到充分利用来完成的。该控制可以是计算机化的(计算机前馈)或自主的(细胞内反馈)，其根据接收到的输入来预测优化。然而，当预测生产流程与实际生产流程存在差异时，就会出现流程模型不匹配 (PMM)。

最近发表在《Scientific Reports》上的一篇论文展示了一种有效解决 PMM 问题的概念验证方法。该论文于 2023 年 9 月 4 日在线发布，并发表在《科学报告》第 13 卷上。“为了解决计算机控制器的 PMM 问题，我们提出了一种混合控制策略，该策略结合了高级计算机前馈控制器和低级单元内控制器，”科学和研究生院的博士生 Tomoki Ohkubo 说道。奈良科学技术大学的技术教授和藤田大学的 Katsuyuki Kunida 高级助理教授。本研究提出的混合计算机/细胞内控制器(HISICC)结合了基于模型的优化和将合成遗传电路集成到细胞中。

根据这项研究，PMM 可以通过将两种类型的前馈和反馈控制器集成到工业生物过程中来解决。第一个由监控计算机辅助，第二个由基因改造的活细胞辅助。例如，计算机可以建议工业生物过程的最佳温度和 pH 值作为前馈预测。同时，细胞内反馈控制通过检测细胞内核酸、酶和代谢物的实际水平提供有价值的反馈。仅使用基于计算机的控制器很难确定这些参数。

为了验证他们的假设，研究小组展示了使用两种转基因细菌(大肠杆菌)菌株(TA1415 和 TA2445)来优化异丙醇(一种多功能清洁剂、工业溶剂和化学中间体)的生产。TA2445 具有内置反馈控制器，而 TA1415 则没有。更具体地说，TA2445 中的细胞内反馈控制器包括代谢拨动开关 (MTS)(一种遗传电路，通过响应称为异丙基 β-d-1-硫代半乳糖苷 (IPTG) 的化学试剂来控制异丙醇的产生)和一个专门的遗传电路，使其能够传递细胞密度的实时反馈。尽管 TA1415 具有“MTS”，但由于完全缺乏专门的遗传电路，它无法提供有关细胞密度的任何反馈。

研究小组发现，在生物生产中加入 TA2445 菌株，可以在有意引入的多个 PMM 条件下实现 MTS 回路的最佳调节。这种基于细胞密度检测的增强调节防止了 PMM 导致的异丙醇产量下降，从而提高了产量。换句话说，所提出的混合控制系统可以有效地补偿PMM并稳健地维持微生物材料生产的效率。

将使用数学模型的高级控制器与不使用数学模型的低级控制器相结合是控制领域的常见做法。在这项研究中，作者采用了一种新颖的方法，其中工程细菌细胞本身作为低级控制器传递反馈。

这项具有里程碑意义的研究有几个关键意义。例如，所展示的方法可以适用于化学品和燃料的成本效益高且环保的生产。这种及时的干预，与其他全球倡议和努力相结合，可以帮助扭转或减轻全球变暖和气候变化的长期致命影响。

结果表明，TA2445 中的内置反馈控制器通过修改 MTS 激活时序有效地补偿了 PMM。HISICC 系统为生物过程工程中的 PMM 问题提供了一种有前景的解决方案，为更高效、更可靠的微生物生物过程优化铺平了道路。”博士生 Tomoki Ohkubo 和高级助理 Kunida 教授解释道。

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