微生物所創(chuàng)建全染色體編輯的高產(chǎn)丁醇細(xì)胞工廠

利用代謝工程與合成生物學(xué)技術(shù)，創(chuàng)建高效生產(chǎn)天然或非天然化學(xué)品的微生物細(xì)胞工廠，已展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。然而，實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的工程菌株大多基于質(zhì)粒系統(tǒng)完成，通常需要抗生素和誘導(dǎo)劑來保證功能基因和途徑的穩(wěn)定存在，這為大規(guī)模低成本生產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)。在染色體水平上進(jìn)行基因編輯與操作，創(chuàng)建完全沒有質(zhì)粒、基因表達(dá)無需誘導(dǎo)的高產(chǎn)工程菌株，對(duì)于化學(xué)品的生物制造具有重要意義。然而，由于染色體拷貝數(shù)少、目標(biāo)靶點(diǎn)不清楚、基因表達(dá)水平低、基因操作相對(duì)困難等因素，見諸報(bào)道的全染色體編輯的高產(chǎn)工程菌株很少。 　　

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院微生物研究所研究人員以大宗有機(jī)溶劑和潛在生物燃料——正丁醇為目標(biāo)產(chǎn)品，以大腸桿菌為底盤細(xì)胞，創(chuàng)建全染色體編輯的丁醇細(xì)胞工廠。該研究的基本策略是將細(xì)胞工廠構(gòu)建分為在染色體上創(chuàng)建生物合成途徑與全染色體編輯優(yōu)化兩個(gè)部分，通過交互循環(huán)操作，不斷強(qiáng)化丁醇途徑以及底盤細(xì)胞對(duì)丁醇途徑的支持能力，從而提高工程菌株的丁醇生產(chǎn)能力。經(jīng)過以上策略獲得的丁醇高產(chǎn)菌株，在簡單批式發(fā)酵中可以產(chǎn)生 20g/ L 的丁醇，達(dá)到產(chǎn)丁醇大腸桿菌最高水平；對(duì)葡萄糖的得率達(dá)到理論**值的 83%，超越天然的產(chǎn)丁醇梭菌，顯示出全染色體編輯代謝工程的潛力。該菌株生產(chǎn)丁醇不需要添加任何抗生素和誘導(dǎo)劑，已在中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所中試平臺(tái)完成了放大測試，效果良好，具有工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用的潛力。

該研究使用一系列基因組操作技術(shù)，包括同源重組、l 噬菌體 Red 重組技術(shù)、CRISPR/Cas9、Tn5 轉(zhuǎn)座子突變等，在大腸桿菌染色體水平上對(duì) 38 個(gè)基因進(jìn)行編輯和操作，通過理性和非理性策略相結(jié)合，解決競爭碳流的副產(chǎn)物較多、丁醇生產(chǎn)能量和還原力不足、染色體基因表達(dá)強(qiáng)度弱等問題，最終獲得了具有工業(yè)應(yīng)用潛力的高產(chǎn)丁醇細(xì)胞工廠，為創(chuàng)建全染色體編輯的化學(xué)品高產(chǎn)細(xì)胞工廠提供了范例。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金及國家 863 計(jì)劃項(xiàng)目等資助，并已申請(qǐng)中國**，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在 Metabolic Engineering 上。

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1096717617301672