中科院戴俊彪:為合成酵母染色體開發基因重排「篩選系統」

2020-12-05 澎湃新聞

北京時間5月23日凌晨，國際頂級期刊《自然》（

Nature

）子刊《自然•通訊》（

Nature Communications

）以專刊形式齊發7篇成果，中英美德四國科研團隊圍繞在人工合成酵母染色體上加裝的SCRaMbLE 系統（Synthetic Chromosome Recombination and Modification by LoxP-Mediated Evolution）及其應用展開了一系列研究。

這些研究工作均為國際科研項目「人工合成酵母基因組計劃（Sc2.0）」的一部分，該項目由美國科學院院士Jef Boeke主導。一年之前，《科學》雜誌也在同一天在線發表了國際團隊共同完成的7篇專刊文章。

中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學所合成基因組學研究中心的領頭人戴俊彪是Sc2.0項目的主要負責人之一。在去年的那批成果中，戴俊彪及其團隊攻克的是酵母中最長的那條染色體（12號合成染色體）的人工合成。此次發布的最新進展中，戴俊彪課題組和英國曼徹斯特大學蔡毅之課題組合作發表了其中2篇論文。

戴俊彪

戴俊彪在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）採訪時表示，「要想用這個SCRaMbLE系統，實際上最好需要一套嚴格的篩選系統，把染色體上發生了重組的細胞篩選出來，所以我們就開發了ReSCuES系統，幫助我們非常有效地篩選基因組發生了重排的菌株。」

而所謂的SCRaMbLE系統，則是貫穿了此次7篇論文的一個「主角」。 該系統可以在短時間內快速地讓合成的酵母染色體發生重新排列，被認為賦予了進化「超能力」。而在大自然演化中，物種的基因組序列在整個生命過程中通常需要維持相對穩定，以保證生命機器的有序進行，現如今多樣的基因組其實是經歷了億萬年的循序漸化。

合成酵母的「進化加速器」——ReSCuES系統

給SCRaMbLE系統加道「保險」

SCRaMbLE系統最早於2011年由Boeke及其團隊首次發表於《自然》。在當時的研究中，攜帶部分人工合成染色體（插入43個LoxPsym位點）的菌株在重組酶激活後最終產生了突變菌株，這些突變株在生長率方面表現出了很大的變化。

戴俊彪表示，「實際上，在設計合成染色體的時候，我們在每一個非必需基因的後面都摻入了一個LoxPsym位點，LoxPsym位點能被Cre重組酶識別。LoxPsym位點就相當於是特殊的標籤，Cre重組酶進去之後抓出2個LoxPsym位點就能對對它們進行重組。「

也就是通過系統性地插入了大量的序列特異性重組位點loxPsym，成功在合成的酵母基因組中植入了短時間內從一個基因組出發，進化獲得高度多樣的基因組序列的「超能力」。 基因組序列發生了由「1」到「N」的變化。

戴俊彪和蔡毅之合作團隊的工作則是確保合成染色體的基因組序列發生了變化，從而進一步為進化「提速」。

戴俊彪表示，細胞內的野生型loxP位點和loxPsym位點具有嚴格的正交性，即不會發生交叉反應，但是都能夠被Cre重組酶識別並介導反應。利用這一特性，研究團隊構建了一個正交性的報告系統ReSCuES，可以從SCRaMbLE後的混亂群體中精確篩選出發生基因組重排的細胞。

戴俊彪進一步解釋，「篩選的標準是利用了2個標記，這2個標記在Cre重組酶條件下會翻轉過來。例如一開始標記a是開著的，標記b是關著的；一旦重組以後，a就會變成關著的，b變成開著的。」

經ReSCuES篩選出來的每個菌株都含有其特異的基因組序列組成，這些菌株可作為原材料供後續篩選優良性狀、構築底盤細胞以及其他用途。

「SCRaMbLE、ReSCuES以及後續的篩選過程組成了一個高效的『進化加速器』，可以在短短幾天的時間內實現自然界中需要漫長的時間（可長達上億年）才能完成的性狀進化過程。」蔡毅之表示。

助力酵母菌株工業應用

值得一提是，與實驗室培養不同，在工業應用過程中酵母通常需要面對來自環境中不同的脅迫，包括酵母自身發酵產生的乙醇、乙酸等有毒害作用的物質，以及來自發酵培養過程中的高溫、高鹽等不適的環境條件。

如何提高酵母對環境脅迫的耐受性一直是工業應用領域內的研究熱點。

基於該「進化加速器」，研究團隊首先以含有第12號合成染色體的菌株為模型，成功實現了乙醇耐受性的提升並提高了乙醇的發酵產量。然後以篩選獲得的耐受菌株為對象，解析耐受性背後的機制為，3』非編碼區調節Ace2p轉錄因子水平進而調控細胞乙醇耐受性。

最後研究團隊以多個不同的合成菌株為起點，成功實現了高溫耐受性和乙酸耐受性的提升。進化後的菌株在高濃度的乙酸條件下的生物量積累可以提高將近40倍。

除了提高菌株對不利因素的耐受性，快速實現目標產物代謝途徑和底盤細胞的優化適配是目標產物產量最大化的另外一個重要方面。

形象來說，就如水利輸送系統，為了達到最優的輸送効率，不僅需要優化各步驟的運輸能力，使它們相互協調（目標產物代謝途徑優化），還需要增加來源和減少運輸過程中的不必要的消耗（底盤細胞優化適配）。

針對這一問題，戴俊彪表示，「我們先在體外用SCRaMbLE的辦法把一條代謝通路上的基因、調控元件進行重排，再把重排後的元件插入到合成酵母的基因組裡面去。」經過這一步，實現了底盤基因組的多樣化。隨後，通過合適的篩選，即可獲得外源代謝途徑與底盤相互優化適配的高產菌株。

研究團隊用提高β-胡蘿蔔素和紫色桿菌素產量驗證了這一流程的高效。研究團隊通過SCRaMbLE-in技術將優化後的代謝途徑插入合成基因組中，並同時重排底盤細胞基因組，實現目標產物產量的第一次提升，即提升將近5倍。最後，通過多輪的SCRaMbLE實現生產菌株的產量的連續提升，最終產量為初始產量的將近20倍。

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