一項(xiàng)新的研究揭示了細(xì)菌如何控制食用“食物”所產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)。這種見解可能會(huì)導(dǎo)致有機(jī)體更有效地將植物轉(zhuǎn)化為生物燃料。這項(xiàng)研究由加州大學(xué)河濱分校和西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家撰寫，已發(fā)表在《皇家學(xué)會(huì)接口》 雜志上。

在本文中，作者描述了數(shù)學(xué)和計(jì)算模型，人工智能算法和實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)表明細(xì)胞具有故障保護(hù)機(jī)制，可防止細(xì)胞產(chǎn)生過多的代謝中間體。

大腸桿菌(用于生產(chǎn)生物燃料的細(xì)菌)的彩色掃描電子顯微照片。圖片來源：NIAID

代謝中間體是在代謝中將每個(gè)反應(yīng)彼此耦合的化學(xué)物質(zhì)。這些控制機(jī)制的關(guān)鍵是酶，它可以加速涉及生物學(xué)功能(例如生長(zhǎng)和能量產(chǎn)生)的化學(xué)反應(yīng)。

細(xì)胞新陳代謝由一堆酶組成。當(dāng)細(xì)胞遇到食物時(shí)，一種酶將其分解成一個(gè)分子，該分子可以被下一個(gè)酶利用，并最終產(chǎn)生能量。 。

這些酶不能產(chǎn)生過量的代謝中間體。它們產(chǎn)生的量由細(xì)胞中已經(jīng)存在多少該產(chǎn)物控制。

坎農(nóng)說：“通過這種方式，代謝物的濃度不會(huì)太高，以至于細(xì)胞內(nèi)的液體變得濃稠，像糖蜜一樣黏糊糊，可能導(dǎo)致細(xì)胞死亡。”

制造與石油具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的生物燃料的障礙之一是將植物材料轉(zhuǎn)化為乙醇的效率低下。通常，大腸桿菌被改造成分解木質(zhì)素(植物細(xì)胞壁的堅(jiān)硬部分)，因此可以發(fā)酵為燃料。

該研究的合著者和UCR杰出的數(shù)學(xué)教授Mark Alber表示，該研究是該項(xiàng)目的一部分，旨在了解細(xì)菌和真菌共同作用以影響植物生長(zhǎng)為生物燃料的根。

坎農(nóng)說：“用于生物燃料的工程菌的問題之一是，在大多數(shù)情況下，該過程只會(huì)使細(xì)菌生病。” “我們推動(dòng)它們過度生產(chǎn)蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)變得不舒服-它們可能會(huì)死亡。我們從這項(xiàng)研究中學(xué)到的知識(shí)可以幫助我們更智能地設(shè)計(jì)它們。”

知道需要防止哪些酶過度生產(chǎn)，可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)出能夠產(chǎn)生更多所需而更少不需要的細(xì)胞。

該研究采用數(shù)學(xué)控制理論，該理論學(xué)習(xí)系統(tǒng)如何控制自身，以及機(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測(cè)需要控制哪些酶以防止代謝物過多堆積。

當(dāng)這項(xiàng)研究研究了產(chǎn)生細(xì)胞能量的中樞代謝時(shí)，坎農(nóng)說，研究團(tuán)隊(duì)希望研究細(xì)胞代謝的其他方面，包括次級(jí)代謝(蛋白質(zhì)和DNA的制造方式)以及細(xì)胞之間的相互作用。

坎農(nóng)說：“我在一個(gè)手工完成這種事情的實(shí)驗(yàn)室里工作，花了幾個(gè)月的時(shí)間才了解一種特定酶的調(diào)控方式。” “現(xiàn)在，使用這些新方法，可以在幾天內(nèi)完成，這非常令人興奮。”

美國(guó)能源部試圖使美國(guó)的能源多樣化，并為這項(xiàng)為期三年的研究項(xiàng)目提供了210萬美元的資助。

該項(xiàng)目也是新建立的UCR生物學(xué)定量建?？鐚W(xué)科中心正在進(jìn)行的更廣泛計(jì)劃的一部分。

盡管該項(xiàng)目專注于細(xì)菌代謝，但了解細(xì)胞如何自我調(diào)節(jié)和控制的能力也可能有助于開發(fā)新的抗擊疾病的策略。

“我們專注于細(xì)菌，但是這些相同的生物學(xué)機(jī)制和建模方法適用于已經(jīng)失調(diào)的人類細(xì)胞，這就是一個(gè)人患有癌癥時(shí)發(fā)生的情況，”阿爾伯說。“如果我們真的想了解為什么細(xì)胞會(huì)表現(xiàn)出這種行為，那么我們就必須了解這一規(guī)定。”

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