在生物制造工作中，微生物容器经过微调，可生产出可用作碳中性燃料、化学品、材料和药物的化合物，但研究人员仍在学习如何加速微生物生产的基本知识。为此，圣路易斯华盛顿大学的工程师们探索了ATP在微生物代谢中的作用。

腺苷-5'-三磷酸(ATP)是驱动许多细胞过程的主要能量货币，但其水平在制造过程中使用的微生物中波动很大，因此，确定ATP水平与微生物生长和营养质量之间的联系以及这如何影响微生物产品的产量至关重要。

张福忠是麦凯维工程学院能源、环境与化学工程教授，也是先进材料合成生物制造研究中心(SMARC)的联席主任。他领导了这项研究，旨在了解各种发酵条件下的ATP动态，并开发了一种通过补充促进ATP的碳源来提高生物产量的经济有效的方法。研究结果于6月21日发表在《自然通讯》上。

张实验室博士生、论文第一作者穆欣月说：“这项研究对于理解微生物能量稳态、优化生物生产过程和识别代谢负担来源具有广泛的意义。”

这项研究利用基因编码的ATP生物传感器探索了各种微生物细胞和发酵条件下ATP浓度的快速变化。他们发现，用不同的碳源喂养微生物会导致非常不同的ATP动态。

在常用于发酵的测试碳中，乙酸盐在大肠杆菌中诱导的ATP水平最高，而发酵工业广泛使用的微生物菌株假单胞菌则更喜欢一种叫做油酸的脂肪酸。

“通常情况下，你不会认为乙酸盐是大肠杆菌的良好碳源，”穆说，他指出乙酸盐被认为是葡萄糖代谢的副产品，大肠杆菌在食用葡萄糖时会排出这种物质。“实际上，通过给它喂食乙酸盐，我们发现更高的ATP水平与目标产物产量的提高有关。”

使用醋酸盐作为原料也是个好消息，因为麦凯维工程公司的研究人员也在研究将二氧化碳转化为醋酸盐的方法。

P.putida可产生一种名为聚羟基脂肪酸酯(PHA)的生物塑料。在这种情况下，给P.putida喂食其首选原料——脂肪酸——可显著提高PHA含量、产量和生产力。

除了找到对发酵有益的碳源之外，ATP生物传感器还能揭示细胞复杂的代谢过程。

柠檬烯可以通过微生物生产并用作可再生溶剂或喷气燃料，但其生物生产会大量消耗ATP，从而降低细胞生长和柠檬烯的产量。

利用ATP生物传感器，他们开始了解柠檬烯生物合成酶的表达如何影响ATP平衡，以及如何相应地调整酶表达以保持高产量。

张教授表示：“这项研究不仅阐明了ATP动力学与生物生产之间的关系，还提供了一种通过选择有利于ATP的原料来提高生物生产的简单有效的策略。它对各种生物制造系统都很有用。”