微生物所在合成生物學調控元件定量及其先進生物製造應用方面獲進展

2020-12-05 中國科學院

　　合成生物學聚焦於各種生命系統工程化和模塊化再造，並已經在能源、醫藥等領域取得了一些顯著性成果。絲狀微生物（真菌及放線菌等）是次級代謝產物的主要來源，約有90%的已知抗生素由這類微生物產生，其中三分之二以上是由以鏈黴菌為代表的放線菌產生的。原核的鏈黴菌基因組比真核的酵母菌還要大，基因還要多，其中三分之二的基因參與調控過程。然而由於鏈黴菌絲狀生長的特性使其基因表達調控難以精確設計、定量和預測，成為合成生物學在該領域發展的一個巨大的技術瓶頸。由中國科學院微生物研究所研究員張立新擔任首席科學家的「973」項目「合成微生物體系的適配性研究」正是試圖解決這一科學問題，提升對鏈黴菌生命規律的認識層次，實現對鏈黴菌生命過程的定量預測、精準化設計、標準化合成與精確調控。

　　最近，微生物所婁春波課題組和張立新課題組合作首次針對鏈黴菌生物元件建立了基於流式細胞儀和報告基因（sfGFP）的單細胞精確定量方法。該方法優化了原生質體製備方案，替換了對流式細胞儀有損害的蔗糖緩衝體系，同時結合PI染色以分離出死細胞個體，解決了絲狀微生物生長形態分化和程序性死亡不利於定量的缺陷，從而提高了測量精度。在高通量地刻畫了覆蓋範圍足夠大的啟動子和RBS等調控元件後，又成功地利用RiboJ絕緣子在鏈黴菌中消除了啟動子和RBS的幹涉效應，提高了這些元件模塊化性能。這些調控元件模塊也被成功地應用於激活阿維鏈黴菌中沉默基因簇番茄紅素的表達，並通過可預測地替換調控元件大大提高了番茄紅素的產量和效率，達到工業生產的要求。該研究工作為應用合成生物學理念改造絲狀微生物次級代謝產物及激活沉默基因簇奠定了重要基礎。

　　上述研究結果於9月14號發表在Proceedings of the National Academy of Sciences USA上。張立新課題組白超弦及婁春波課題組博士生張洋、助理研究員趙學金為論文的共同第一作者。研究員張立新和婁春波為通訊作者，其他作者還有胡逸靈、向四海和苗靳。該研究得到了「973」項目和國家自然科學基金項目的資助。

    文章連結  

 

圖1 基於流式細胞儀的單細胞定量方法流程圖 

 

圖2 引入絕緣元件消除啟動子與RBS調控元件間相互幹擾並提高其模塊化性能 

 

圖3 利用不同強度的模塊化啟動子激活並提高沉默基因簇的表達 

　　合成生物學聚焦於各種生命系統工程化和模塊化再造，並已經在能源、醫藥等領域取得了一些顯著性成果。絲狀微生物（真菌及放線菌等）是次級代謝產物的主要來源，約有90%的已知抗生素由這類微生物產生，其中三分之二以上是由以鏈黴菌為代表的放線菌產生的。原核的鏈黴菌基因組比真核的酵母菌還要大，基因還要多，其中三分之二的基因參與調控過程。然而由於鏈黴菌絲狀生長的特性使其基因表達調控難以精確設計、定量和預測，成為合成生物學在該領域發展的一個巨大的技術瓶頸。由中國科學院微生物研究所研究員張立新擔任首席科學家的「973」項目「合成微生物體系的適配性研究」正是試圖解決這一科學問題，提升對鏈黴菌生命規律的認識層次，實現對鏈黴菌生命過程的定量預測、精準化設計、標準化合成與精確調控。
　　最近，微生物所婁春波課題組和張立新課題組合作首次針對鏈黴菌生物元件建立了基於流式細胞儀和報告基因（sfGFP）的單細胞精確定量方法。該方法優化了原生質體製備方案，替換了對流式細胞儀有損害的蔗糖緩衝體系，同時結合PI染色以分離出死細胞個體，解決了絲狀微生物生長形態分化和程序性死亡不利於定量的缺陷，從而提高了測量精度。在高通量地刻畫了覆蓋範圍足夠大的啟動子和RBS等調控元件後，又成功地利用RiboJ絕緣子在鏈黴菌中消除了啟動子和RBS的幹涉效應，提高了這些元件模塊化性能。這些調控元件模塊也被成功地應用於激活阿維鏈黴菌中沉默基因簇番茄紅素的表達，並通過可預測地替換調控元件大大提高了番茄紅素的產量和效率，達到工業生產的要求。該研究工作為應用合成生物學理念改造絲狀微生物次級代謝產物及激活沉默基因簇奠定了重要基礎。
　　上述研究結果於9月14號發表在Proceedings of the National Academy of Sciences USA上。張立新課題組白超弦及婁春波課題組博士生張洋、助理研究員趙學金為論文的共同第一作者。研究員張立新和婁春波為通訊作者，其他作者還有胡逸靈、向四海和苗靳。該研究得到了「973」項目和國家自然科學基金項目的資助。
    文章連結  
 
圖1 基於流式細胞儀的單細胞定量方法流程圖 
 
圖2 引入絕緣元件消除啟動子與RBS調控元件間相互幹擾並提高其模塊化性能 
 
圖3 利用不同強度的模塊化啟動子激活並提高沉默基因簇的表達 

相關焦點

  • 檸檬烯微生物合成研究獲進展
    近日，中國科學院大連化學物理研究所合成生物學與生物催化創新特區研究組研究員周雍進與西北農林科技大學副教授楊曉兵合作，在Biotechnology Advances上，發表了題為Microbial production of
  • 檸檬烯微生物合成研究獲進展
    ：Achievements and perspectives的綜述論文，討論近年來學界通過合成生物學和代謝工程策略構建微生物細胞工廠，生產高價值萜類化合物檸檬烯及其衍生物的研究進展。檸檬烯及其衍生物是天然單萜類化合物，具有工業和醫學應用價值。目前，檸檬烯的工業生產主要依靠植物提取法和化學合成法，但存在原料來源有限、供應鏈不夠穩定、生產過程效率低、能耗高等弊端。合成生物學和代謝工程的快速發展為構建微生物細胞工廠、實現檸檬烯及其衍生物的可持續高效生產提供了新思路。
  • 合成生物學:顛覆性生物科技?—新聞—科學網
    為了集中報導本領域的最新研究進展，特組織出版了此合成生物學專刊。本專刊分3個欄目：科學意義、新技術新方法和應用領域，重點介紹了合成生物學的科學內涵、技術方法進步及合成生物學在醫學、藥物、農業、材料、環境和能源等領域的應用前景。 關鍵詞: 合成生物學，基因組合成，生物製造，基因編輯 合成生物學是一個新興的科學技術領域。她的形成有一系列標誌性事件。
  • 長篇綜述:合成生物學的研究進展
    介紹合成生物學的定義、相關概念、學科特點與現階段研究內容，並綜述最新研究進展，如基因調控開關、基因計數器、生物邏輯門元件、生物計算、人造生物圖案、可擦寫數據寄存器、電生物反應器「合成」生物燃料等開創性的研究成果，並展望合成生物學的巨大發展前景。
  • 張學禮:合成生物學促進微生物細胞工廠構建
    另一方面，自然微生物即使能生產某些化學品，其產量也很低，不具備經濟可行性。如何拓展微生物細胞生產化學品的種類和如何提高細胞的生產效率是限制細胞工廠產業化的兩個關鍵技術問題。生物製造瓶頸石油資源是目前運輸燃料和整個化工產業的基礎。然而，石油資源是不可再生的，並且以其為基礎的化工煉製是一個高能耗、高汙染的過程。
  • 【文章推薦*祁慶生,梁泉峰】細菌群體感應系統在細胞間通訊中的應用及其合成生物學研究進展
    梁泉峰，山東大學微生物技術國家重點實驗室教授。2005年獲得中國農科院生物技術所博士學位，2005—2007年在SCION（Ensis）從事博士後研究工作，2007—2009年在奧克蘭大學作高級訪問學者。
  • 活體建築材料、微生物燃料電池,材料合成生物學的潛力不止於此
    圖 | 合成生物學和材料合成生物學的主要進展及時間表。（來源：nature reviews materials）活體自組裝功能材料活體自組裝材料是由基因工程編輯的活體系統及其所生產的非細胞自組裝成分組成的一類複合功能材料。
  • 清華舉行「合成生物學定量模型與設計」研討會
    清華舉行「合成生物學定量模型與設計」研討會清華新聞網12月15日電 （通訊員 蔣國強）12月10日「合成生物學定量模型與設計」研討會在清華大學信息技術大樓舉行。本次研討會是國內首個以定量合成生物學為主題的會議，涵蓋了我國從事相關研究的主要團隊，旨在加強十三五期間該領域的交流與協作。會議的召開對推進清華大學十三五合成生物學基礎研究、促進清華與國內相關科研院所的深度協作，具有重要意義。
  • 成立即獲億元級融資，萬億生物製造行業出現合成生物學新頭部玩家
    1978 年，科學家成功通過基因工程技術利用大腸桿菌生產胰島素，並且這項技術很快就得到廣泛應用，這讓全球數以億計的糖尿病人不再受困於胰島素的匱乏及其高不可攀的價格——之前人類依靠從豬、牛等動物的胰腺中提取胰島素，一個糖尿病人每年所用的胰島素需要數十頭、數百頭甚至上千頭牛來生產。
  • 何冰芳——南京工業大學——應用微生物/分子生物學/酶工程
    ： 南京工業大學       所在院系： 職稱： 教授       招生專業： 研究領域： 應用微生物/分子生物學/酶工程
  • 微生物+人工智慧:開啟新一代生物製造
    ，獲得了工業級微生物工程菌株，取得了人工智慧驅動生物製造在工業化應用層面的率先突破。我國正處於建設創新型國家與加快生態文明體制改革的決定性階段，緊隨並引領世界科技前沿，發展新型綠色生物製造技術，支撐傳統產業升級變革，關乎資源、環境、健康，符合國家重大戰略需求。　　近年來，人工智慧技術迅猛發展，其影響開始推廣到綠色生物製造領域，尤其是在其核心元件蛋白質的設計方面，發揮了巨大的作用。
  • 合成生物學：生命科學的「利器」
    合成生物學，能利用大腸桿菌生產大宗化工材料，擺脫石油原料的束縛；酵母菌生產青蒿酸和稀有人參皂苷，降低成本，促進新藥研發；工程菌不「誤傷」正常細胞，專一攻擊癌細胞；創製載有人工基因組的「人造細胞」，探究生命進化之路；利用DNA儲存數據信息並開發生物計算機……作為科學界的新生力量，合成生物學進展迅速，並已在化工、能源、材料、農業、醫藥、環境和健康等領域展現出廣闊的應用前景。
  • 藍細菌合成生物學研究進展
    光合生物製造技術是指以光合生物為平臺，將太陽能和二氧化碳直接轉化為生物燃料和生物基化學品的技術，可以在單一平臺、單一過程中同時取得固碳減排和綠色生產的效果。藍細菌是極具潛力的光合微生物平臺，相比較於高等植物和真核微藻，具有結構相對簡單、生長快速、光合效率高、遺傳操作便捷等優勢，易於進行光合細胞工廠的開發。
  • 萜類化合物生物合成的關鍵酶改造和調控研究等系列學術報告
    主要研究方向是微生物合成生物學，利用代謝工程和蛋白質工程等手段探討微生物合成過程中的關鍵問題，已在Metabolic Engineering, Biotechnology and Bioengineering, ACS Synthetic Biology等生物工程領域國際知名刊物發表第一作者/通訊作者SCI論文20餘篇。
  • Nature綜述｜預測生物學：微生物複雜性的解析、模擬與應用
    曾經看起來不可行的任務正在越來越多地被實現，比如設計和實現複雜的合成遺傳環路，執行複雜的感知和驅動功能，以及組裝具有特定的、預先定義組分的多物種細菌群落。這些成就是通過整合生物學、物理學和工程學等多學科知識而實現的，從而對生物設計有了一個新興的、定量的理解。隨著多組學數據的持續擴增，它們將理論轉化為實踐的潛在應用仍然牢牢植根於支配生物系統的基本量化原理。
  • 亮點文章|枯草芽孢桿菌表達與調控工具相關研究進展
    近年來，隨著代謝工程與合成生物學的發展，枯草芽孢桿菌相關表達系統與調控工具研究也取得了很大進展。 《生物技術通報》特邀江南大學生物工程學院康振教授團隊撰寫題為《枯草芽孢桿菌表達與調控工具相關研究進展》綜述，圍繞枯草芽孢桿菌動態調控工具的研究進展，分別從轉錄水平調控和轉錄後水平調控兩個層面上進行綜述，並對調控元件在生物技術中的應用進行了討論。同時對未來枯草芽孢桿菌表達與調控工具的發展進行了展望。
  • 天津工生所在微生物代謝調控技術研究中取得進展
    代謝調控技術是構建微生物細胞工廠的重要技術手段，構建高效平衡的代謝途徑能夠抑制副產物或者中間產物的積累，提高目標化合物產量。　　中國科學院天津工業生物技術研究所研究員張學禮帶領的微生物代謝工程研究團隊和研究員畢昌昊帶領的代謝工程與合成生物學技術研究團隊合作，在微生物代謝調控技術方面取得新進展。
  • 探索:掀起「第三次生物科學革命」的合成生物學究竟潛藏著怎樣的...
    而合成生物學是在系統生物學的基礎上，結合工程學理念，採用基因合成、編輯、網絡調控等新技術，來「書寫」新的生命體，或者改變已有的生命體，這將使人類對生命本質的認識獲得質的提升，從而引領了第三次生物科技革命。
  • 探索:掀起「第三次生物科學革命」的合成生物學究竟潛藏著怎樣的價值導向?
    而合成生物學是在系統生物學的基礎上，結合工程學理念，採用基因合成、編輯、網絡調控等新技術，來「書寫」新的生命體，或者改變已有的生命體，這將使人類對生命本質的認識獲得質的提升，從而引領了第三次生物科技革命。
  • 微生物合成生物醫學材料研究取得進展
    對嗜鹽微生物的研究不僅為探索生命的極限適應機制提供了重要啟示，同時也為其特殊功能和代謝產物的利用提供了可能。中國科學院微生物研究所向華研究組一方面從事極端嗜鹽古菌遺傳機制（如基因組複製和CRISPR功能）的基礎研究，另一方面長期開展嗜鹽微生物合成生物可降解塑料的應用基礎研究。