细胞非常善于创造复杂的分子，如治疗剂，并且可以比我们许多最好的工厂做得更好。

合成生物学家希望重新设计细胞以使这些分子满足特定需求，包括药物和能量应用。但是，试错过程既困难又耗时，并且经常与细胞的其他目标和过程竞争，如生长和生存。

西北大学开发的一种新方法结合了两种最先进的研究方法，以创建一种快速，有效的方法来设计和分析代谢途径。

这些方法 - 无细胞蛋白质合成和自组装单层解吸电离(SAMDI)质谱 - 结合起来，成为一种新工具，帮助工程师更好地了解产生分子的途径。

“通过这两种方法，我们可以在一天内建立数以千计的潜在混合物并对其进行全面测试，这将为合成生物学家提供新的见解和设计规则，”生物医学的Henry Wade Rogers教授Milan Mrksich说。西北麦考密克工程学院的工程，化学，细胞和分子生物学。他还是西北大学合成生物学中心的联合主任。

结果于6月5日发表在Science Advances杂志上。Michael Jewett，Charles Deering McCormick卓越教学教授，化学和生物工程教授，以及合成生物学中心的联合主任，是该研究的共同作者。

通过无细胞合成

产生酶细胞通过酶发展出复杂的分子，这种蛋白质用于将一种分子转化为另一种分子。通过一系列这些转化，代谢物成为一个复杂的分子，通常与社会利益相关。

对于工程师来说，模仿这个过程，他们需要确定需要哪些酶来为他们提供所需的分子。一旦他们了解了代谢途径，他们就可以设计一种细胞 - 通常是细菌细胞 - 来制造酶来产生目标分子。例如，辅酶A(CoA)是代谢中的中心分子，合成生物学家利用其依赖途径设计抗疟药物，啤酒酵母和先进的生物燃料。

但是找到这些途径是一个反复试验的过程，可能需要花费数天时间来设计并测试结果。为了解决这个问题，Jewett的实验室开发了一种无细胞蛋白质合成过程，它只能产生制造目标产物分子所需的酶，但不必使用整个细胞本身。在这里，实验室创造了酶，使它们能够在反应管中混合和匹配潜在的酶，而不是让它们的最终目标与细胞的其他目标相竞争，比如维持它的新陈代谢。

“无细胞蛋白质合成确实是一项令人兴奋的技术，”Jewett说。“

使用SAMDI快速分析

一旦创建了这些解决方案，测试它们的成功需要每个样本至少半小时。由于存在许多可能的解决方案，因此该手动过程不足以搜索最佳结果。

这就是Mrksich的SAMDI质谱仪的用武之地。该技术极其快速且廉价地测量生化反应。“我们可以在一天内轻松测试10,000个反应混合物，以确定合成哪些分子以及反应混合物中存在多少分子，”Mrksich说。

此外，该方法允许他们观察反应中存在的所有分子，这意味着他们可以找到他们不一定首先寻找的分子。“这非常令人兴奋，”Mrksich说。“这是一个强大的科学工具，可以告诉我们这些反应是如何平衡的，并在细胞中相互折衷。”

用细胞建立工厂

为了证明这种方法，研究人员合成了羟甲基戊二酰辅酶A(HMG-CoA)，这是一种常用的代谢产物，用于合成许多复杂分子，包括一类称为类异戊二烯的重要分子(包括类固醇和抗癌药物)，并绘制了800多种独特的反应条件。

“今天，一个典型的合成生物学项目可能会探索一种途径的几十种变体，”Jewett说。“通过我们的方法，我们证明可以测试数百到数千个路径变化。这很重要，因为它将实现新型数据驱动设计，以促进路径优化。”

由于SAMDI方法为每个测试创建了如此多的数据点，因此研究人员希望采用更多的机器学习和人工智能方法，以帮助他们分析和理解所有数据。

最终目标是获得足够的理解，利用细胞的力量来创造下一代药物和可持续的化学能源。正如摩尔定律所描述的计算设备性能的快速增长对整个计算和消费电子行业产生了深远的影响，“这种方法代表了工程的下一步，将对合成生物学产生类似的影响。对于它的所有应用，“Jewett说。

“想象一下用一桶细菌取代整个工厂，”Mrksich说。“这些细菌细胞可以通过工程设计来生产我们的目标分子，而不需要通常需要的高温和不安全的溶剂和化学品。这是生产化学品的有吸引力的途径，通过这种新工艺，我们显着提高了效率。哪些途径可以被发现和优化。“