合成微生物组学：建立“细胞工厂”的流水线学术资讯

来源：科学通报

1914年，汽车大亨福特建立了现代工业时期人类的第一条流水线，将T型车的装配工艺划分为84道工序，每位工人只需负责其中一步，使得一辆T型车的装配时间从12.5小时缩减至93分钟，制造成本大幅降低，从此流水线成为了现代工厂的标志。在现代微生物工程的研究与应用中，“细胞工厂”正面临着诸如菌株代谢负担过重、单个平台菌株优势有限、复杂功能菌株构建时间较长等一系列问题。将流水线的模块化思想运用到“细胞工厂”的设计当中，通过多个菌株的分工与合作来提高目标产物的合成效率（如图1），这便是合成微生物组学的主要研究内容。

图1 合成微生物组特征：代谢通路模块化与多菌株共培养

合成微生物组的构建分为三个阶段，研究者首先运用合成生物学的方法设计模块化代谢通路，之后为每一个代谢模块构建相应的菌株，最后建立多菌株共培养体系以合成目标产物。与单菌株相比，合成微生物组通过多种方式提高了目标产物的合成效率：多个菌株分摊了外源蛋白的表达以及耗能反应，大幅降低单个菌株的代谢负担；细胞膜这道屏障一定程度上减轻了代谢通路模块之间的干扰，从而减少副产物的生成量；改变各菌株的接种比例能够平衡代谢模块之间的相对强度，加快中间产物的转化速率。

“流水线”一旦建立起来，就可以为每道“工序”寻觅最为合适的“工人”。遗传改造方便、生长速度较快的大肠杆菌是最常入选的菌株，酵母菌则适合表达来源于真核生物的蛋白，而梭菌属或木霉属的菌株往往是降解木质纤维素的首选。多样的元件表达平台为合成微生物组提供了丰富的菌株搭配模式，大肠杆菌-酿酒酵母、大肠杆菌-里氏木霉等均是常见的组合，每个菌株各司其职，优势互补，正所谓“人尽其能，物尽其用”。

日常生活中，为单反相机安装不同规格的镜头便可满足不同场景的摄影需求，这种“即插即用”的模块替换策略同样能在合成微生物组中得到运用。更换上游或下游模块的菌株分别能改变初始底物或最终产物，无需再次构建将特定底物转化为特定产物的单个菌株，大幅降低遗传改造工作量。在已有合成微生物组的基础上，增加下游模块菌株即可对产物进行二次加工，不必在已有工程菌株的基础上进行改造，这可规避过于复杂的遗传改造方案，降低遗传改造难度，缩短菌株构建时间。伴随着更多合成生物学工具的创新与优化，未来合成微生物组的稳定性与鲁棒性将会得到进一步的提升，该领域极有可能成为生物产业新突破的动力源泉。

来源：kexuetongbao 科学通报

原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3ODgxMzc1Ng==&mid=2650446861&idx=1&sn=458ec274f74a720aec51808a8918b5a3&chksm=87b3335eb0c4ba48f4199fb8501c4f9f5853933fa6d6f65151ead0181fe36d8091de89be5477&scene=27#wechat_redirect

电话：（010）86409582

邮箱：kejie@scimall.org.cn