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遗传学大牛连发生物工程学成果

  当前,合成生物学家们正在学着将微生物和单细胞生物转化为高产工厂,通过重建它们的新陈代谢,生产有价值的商品,如精细化学品、药物和生物燃料。为了加快我们对最有效率的生产者的识别,哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员,描述了这个过程的新方法,并展示了“遗传编码的荧光生物传感器,如何可以在记录时间内,产生和检测一种代谢途径的数十亿个变体”。这些讨论结果分别发表在《TrendsinBiotechnology》和《PNAS》杂志。

  随意修补微生物新陈代谢来生产有用产物的生物技术专家们,是通过所谓的“设计-建立-测试周期”的镜头来研究工程过程。这个想法是,这个周期的多次迭代,最终可让我们识别哪些遗传和代谢因素组合可产生最高水平的所需药物或化合物。然而,这个周期的有效性的关键在于,构建和测试变体的最大数量的能力;最后,这些变体中只有少数会产生在工业上有吸引力的数量的产品。

  在《TrendsinBiotechnology》发表的论文中,Wyss研究所的科学家GeorgeChurch和JamesonRogers,展示了当前最先进的设计,同时构建和测试了许多变体,这种方法,生物工程师称之为“多路复用”。著名遗传学GeorgeM.Church是哈佛医学院的遗传学教授、Wyss研究所的核心成员。他被誉为是个人基因组学和合成生物学的先锋。1984年,Church和WalterGilbert发表了首个直接基因组测序方法,该文章中的一些策略现在仍应用在二代测序技术中。此外,如今的多重化分子技术和条码式标签也是他发明的,Church还是纳米孔测序技术的发明者之一。相关阅读:科学家称基因工程正站在革命新前沿;Nature:遗传学大牛刷新CRISPR基因编辑记录;遗传学大牛再发重要突破:双功能CRISPR-Cas9。

  生物工程学家们深入地了解了这些代谢途径在生化水平上是如何发挥作用的,并具有所有必需酶的许多DNA编码序列。借助于计算工具处理这些序列,并用越来越多的遗传元件调节它们的表达,他们获得了几乎无限种可能性。同样地,技术的革命性进步——能够合成和操作DNA,使他们能够构建数十亿种微生物,每一种都包含一个独特设计的变体。

  Rogers说:“实现高通量工程周期的真正瓶颈在于测试步骤。目前的技术,使科学家可能评估的数量限制在数百个,甚至可能是一千个,每天不同的设计。通常,必需的检测是艰苦的,容易出现用户错误。”

  Church和Rogers讨论了“基因编码的生物传感器如何可以帮助工程师克服这个障碍”。这种生物传感器,通过把一种微生物所产生的理想产物,与一种抗生素抗性基因的表达结合起来,这样就只有高生产者生存。另外,一种荧光蛋白的表达,可被用来从更少生产性的大种群中,高速分选出稀有的、但高生产性的候选者。

  Church说:“现在,我们开发出了两种类型的遗传编码生物传感器,我们可以关闭一个完全复用的工程周期的循环。这使得我们能够在更大的广度和深度上,探讨特定代谢途径的设计空间。特别是,荧光生物传感器,使我们能够使用一种全新的管道工程,在该过程的任何时候观察到代谢产物的水平,具有非凡的敏感性和能力,用于进一步操纵工程周期。”

  Church的研究小组早期进行的研究证明,采用一种抗生素选择为基础的生物传感器,通过几轮“设计-建立-测试”循环,可以提高细菌生产的有商业价值的化学品水平。2月8日,Church和Rogers在《PNAS》上发表论文,报道了这种荧光生物传感器提供给生物工程师的独特优势。

  Rogers说:“我们的荧光生物传感器,是围绕着‘直接感知有商业价值代谢物的蛋白质’而建立的。这些传感器蛋白可打开一个荧光报告蛋白的表达,从而导致与工程细胞内产生的化学品数量成比例的细胞亮度。我们可以实时、明显地看到合成发生时有用化学品的生物产量,并从数十亿个候选者中分离出生产性最高的。”

  采用这种策略,Wyss研究所的科学家建立了荧光生物传感器,用于生产高吸水性聚合物和丙烯酸酯这样的塑料,它们可以制造一系列产品。事实上,这项研究建立了第一个工程途径,能够用普通的糖类生产出丙烯酸盐,而不是以前必需的石油化合物。

  Wyss研究所创始董事DonaldIngber指出:“这种新的传感器技术,将可能彻底改革从工业制造药物到医学的代谢工程领域,它不依赖于化石燃料来生产药物产品和化学品,因此可能对我们的环境产生积极的影响。”

  主办单位:中国科学院生命科学与生物技术局 中国生物工程学会 中国科学院微生物研究所