理論模型跑通了,但生物學終究是一門實驗科學。
再完美的數學模型,如果不能在真實的細胞裡得到驗證,那也只是一堆漂亮的廢紙。
畢竟,在生物學界流傳著一句至理名言:“模型是豐滿的,細胞是骨感的,而實驗結果往往是性感的——因為它總是充滿了意外。”
徐辰設計的驗證方案非常直接,甚至可以說是“簡單粗暴”。
他選擇大腸桿菌作為底盤細胞,目標產物設定為工業上價值極高的“琥珀酸”。
實驗的核心邏輯在於驗證那個“反直覺”的預測:
在傳統的代謝工程中,想要提高琥珀酸的產量,通常的做法是過表達合成路徑上的酶。但這往往會帶來嚴重的“代謝負荷”——細胞把能量都拿去生產琥珀酸了,就沒有能量去生長分裂,導致菌體生長緩慢,最終總產量反而上不去。這就是著名的“生長-生產權衡”。
而徐辰的模型預測,如果精準控制pfk(磷酸果糖激酶)和pyk(丙酮酸激酶)這兩個關鍵節點的活性,將其壓低到野生型的35-40之間,這是一個極窄的視窗,這樣就能在不影響細胞生長速率的前提下,強行改變碳通量的分配,實現“生長偶聯生產”。
驗證標準很簡單:如果菌體長得慢,產量高,說明模型平平無奇,只是重複了前人的老路。如果菌體長得快,產量低,說明模型失效,沒能截留碳源。只有當菌體長得快,且產量暴增,才證明徐辰找到了那個上帝遺留的“後門”。
……
徐辰拿著那份“關鍵調控節點列表”的實驗結果,再次敲開了陳志華教授的辦公室。
“陳老師,模型跑出來了。”徐辰開門見山,“我找到了幾個關鍵的調控靶點,理論上,只要對這幾個酶進行擾動,就能大幅度改變代謝流的走向,比如……提高某種產物的產量。”
陳志華接過列表,掃了一眼,眉頭微微一挑。
“pfk?pyk?徐辰,你這選的可都是‘硬骨頭’啊。”
陳志華放下紙張,語氣變得嚴肅起來:“你要知道,這兩個酶是糖酵解途徑的‘看門人’。巴斯德就發現了著名的‘巴斯德效應’,其核心機制就是這兩個酶對atp/ap比率的敏感響應。它們不僅控制著葡萄糖的分解速度,還受到檸檬酸、磷酸烯醇式丙酮酸等十幾種代謝物的變構調節。”
“它們是細胞代謝網路裡最敏感的樞鈕,牽一髮而動全身。以前有不少人試圖動這兩個點,結果要麼是細胞代謝紊亂,胞內中間產物堆積導致酸中毒直接餓死,要麼就是細胞激活了旁路代謝,完全繞過了你的設計,沒有任何效果。”
“我的模型考慮到了變構調節。”徐辰指著列表後面的一組引數,語氣篤定,“傳統的調節是‘開關式’的,要麼敲除,要麼過表達。但我的模型計算出了一個‘安全區間’。只要透過啟用子工程,把酶活性精確控制在這個區間內,就能騙過細胞的監控系統,在它‘沒反應過來’的時候,把代謝流偷走。”
“哦?”陳志華眼中閃過一絲驚訝,“你是說,你想在細胞的眼皮子底下搞走私?這要是能成,那可是突破了代謝工程的天花板啊。”
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“所以,我想跟您借實驗室驗證一下。”徐辰說道。
“沒問題!”陳志華大手一揮,“實驗室隨便你用,試劑耗材走我的經費。不過,這種精細調控的實驗工作量可不小,構建菌株、篩選啟用子、發酵測試……光是gibson組裝就得做幾十次,你一個人忙得過來嗎?要不要我給你派個熟手?”
徐辰尤豫了一下。
雖然陳教授很大方,但他心裡有自己的盤算。這個課題是他獨立立項的,並未掛靠在陳教授的專案下。借用場地和儀器已經是欠了人情,如果再佔用人家博士生的時間,甚至花人家的經費買試劑,那就有點不懂事了。
畢竟博士生都有自己的畢業壓力,誰願意給一個大一本科生打白工?
“不用了,陳老師。”徐辰笑了笑,婉拒道,“我自己做就行,反正我最近課不多,多花幾個晚上熬一熬也就出來了。至於試劑,我自己買點通用的就行。”
就在這時,一個聲音從門口傳來。
“陳老師,讓我來幫他吧。”
徐辰回頭一看,只見劉偉正站在門口。他手裡拿著一盒剛提出來的質粒,身上的白大褂雖然有些舊,但洗得乾乾淨淨。
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