微生物制造是具有全球戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)，在食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等重要領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，有望成為未來食品的重要制造方式。傳統(tǒng)微生物制造過程中，目標(biāo)產(chǎn)物合成途徑與宿主自身途徑存在細(xì)胞資源競爭的問題，使得細(xì)胞資源難以最大程度地“抵達(dá)目的地”。“跑偏了”的結(jié)果是影響最終產(chǎn)品得率。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院副教授吳俊俊研究團(tuán)隊結(jié)合合成生物學(xué)與仿生生物學(xué)，解碼、模擬并重構(gòu)建微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)，同時結(jié)合序列特異性的內(nèi)切核糖核酸酶，使得細(xì)胞資源最大程度地流向目標(biāo)產(chǎn)品。近日，研究成果在《自然—通訊》上在線發(fā)表。

傳統(tǒng)微生物制造待改進(jìn)

與傳統(tǒng)生物分子制造方法相比，微生物制造擁有成本低、環(huán)境友好、制造效率高、可持續(xù)性高等優(yōu)點。吳俊俊向《中國科學(xué)報》介紹，目前微生物制造主要用于大宗需求品、附加值高的藥物和保健品等，如維生素C、胰島素、有機(jī)酸等。

不過，基于傳統(tǒng)工業(yè)微生物大腸桿菌的微生物制造離不開誘導(dǎo)劑，誘導(dǎo)劑會在微生物細(xì)胞生產(chǎn)得率最高時誘導(dǎo)生產(chǎn)開始。

“誘導(dǎo)劑讓微生物‘未成年’時不生產(chǎn)，降低了微生物的代謝壓力，但大多數(shù)誘導(dǎo)劑成本較高，并且具有一定毒性，給后續(xù)純化帶來困難。”吳俊俊表示，“此外，在傳統(tǒng)微生物制造中，微生物宿主自身合成途徑與目標(biāo)產(chǎn)物合成途徑相互競爭，部分細(xì)胞資源還會流向雜蛋白，最終得率不高。”

為改善微生物制造中的不足，吳俊俊團(tuán)隊創(chuàng)新性地融合合成生物學(xué)、仿生生物學(xué)等多種學(xué)科知識，解碼、模擬并重構(gòu)建微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)，首次獲得能在單個細(xì)胞中獨立運行的兩套不同的低滲漏式群體感應(yīng)系統(tǒng)，使得微生物能夠互不干擾地自發(fā)執(zhí)行兩條不同的基因電路。

“所謂群體感應(yīng)系統(tǒng)，,類似人類世界的語言。微生物通過這套系統(tǒng)進(jìn)行交流，從而自發(fā)地控制各自的行為。”吳俊俊解釋道。

兩套系統(tǒng)“各行其道”

利用生物仿生學(xué)原理，團(tuán)隊首先解析了費舍爾弧菌的微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)中決定系統(tǒng)滲漏和正反饋控制的調(diào)控區(qū)域，并且首次在工業(yè)微生物大腸桿菌中構(gòu)建出糞腸球菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)，其基因表達(dá)調(diào)控能力為目前已知群體感應(yīng)系統(tǒng)中效率最高的。

“費舍爾弧菌和糞腸球菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)就像是人類語言中的漢語和英語，為兩種完全不同的語言，因此這兩套群體感應(yīng)系統(tǒng)在運行的時候相互之間不會產(chǎn)生干擾現(xiàn)象。”吳俊俊說。

團(tuán)隊構(gòu)建的基于微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)的自發(fā)誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)，有望替代目前傳統(tǒng)的人工誘導(dǎo)系統(tǒng)，進(jìn)一步降低微生物制造成本。

微生物在生長過程中，一方面不可避免地會有很多資源流向自身途徑的合成，另一方面對異源目標(biāo)產(chǎn)物合成會有一定的排斥。由此形成了兩個合成途徑的“競爭”，導(dǎo)致產(chǎn)品得率不高。

在這項研究中，團(tuán)隊同時結(jié)合序列特異性的內(nèi)切核糖核酸酶，在細(xì)胞全局范圍內(nèi)自發(fā)降解非目標(biāo)合成途徑，保留目標(biāo)合成途徑，使得細(xì)胞資源最大程度地流向目標(biāo)產(chǎn)品。

通過兩套群體感應(yīng)系統(tǒng)，細(xì)胞間自主性地交流—— 一套系統(tǒng)切割不需要的途徑，另一套系統(tǒng)保護(hù)和調(diào)控產(chǎn)物的制造途徑。團(tuán)隊成員周琳以綠色熒光蛋白報告基因和中鏈脂肪酸生產(chǎn)為例介紹，改造后的微生物生產(chǎn)強(qiáng)度提高了30倍，同時顯著降低了發(fā)酵副產(chǎn)物的濃度。

團(tuán)隊構(gòu)建的全自動式細(xì)胞資源分配系統(tǒng)也將在微生物制造中發(fā)揮重要作用。團(tuán)隊成員彭虎解釋說，微生物在生長初期，細(xì)胞資源分配系統(tǒng)會將資源流向微生物生長，提高基礎(chǔ)的菌體生長量;在到達(dá)合適生長量后，系統(tǒng)自動將資源轉(zhuǎn)向目標(biāo)產(chǎn)物合成。

發(fā)展精確、智能、高效的生物制造系統(tǒng)

在吳俊俊看來，大自然是一個巨大寶庫，人類通過模仿大自然創(chuàng)造出多種精妙發(fā)明。“因此，團(tuán)隊一直致力于通過合成生物學(xué)與仿生生物學(xué)相結(jié)合，將自然界中的精妙生物系統(tǒng)用于傳統(tǒng)生物制造。”他說。

據(jù)了解，吳俊俊團(tuán)隊?wèi)?yīng)用合成生物學(xué)及現(xiàn)代工業(yè)生物技術(shù)等研究方法改造工業(yè)微生物，使得微生物以廉價、可再生的碳水化合物為原料，高效低碳地生成多種高值食品原料，如中鏈脂肪酸、黃酮以及高值蛋白，緩解目前依賴植物提取或化學(xué)合成所造成的環(huán)境污染、與糧爭地等問題。

同時，團(tuán)隊構(gòu)建出多種高效的生物制造策略，如模塊化改造策略、利用微生物實現(xiàn)變廢為油、輔因子偶聯(lián)改造策略、低能耗微氧系統(tǒng)等。

以輔因子改造為例，中鏈脂肪酸因消化吸收快、不易引起肥胖等特征受到廣泛關(guān)注。逆向脂肪酸氧化循環(huán)是目前合成中鏈脂肪酸最為有效的方式。然而目前缺少關(guān)于逆向脂肪酸氧化循環(huán)有效運行所需輔因子條件的研究。

團(tuán)隊通過輔因子工程技術(shù)改造有益菌大腸桿菌K12，得到目前最為高效的中鏈脂肪酸合成效率，其產(chǎn)量由起始的1.2g/L增加到4.7g/L。研究提出的優(yōu)化策略可以應(yīng)用到其他乙酰輔酶A的衍生物以及其他有多輔因子需求的合成產(chǎn)物中。

未來，團(tuán)隊將進(jìn)一步進(jìn)行跨學(xué)科整合，發(fā)展更為精確、智能、高效的生物制造系統(tǒng)。“改良后的微生物制造可以減少傳統(tǒng)制造所帶來的環(huán)境污染問題，真正實現(xiàn)‘綠水青山就是金山銀山’。”吳俊俊說。

標(biāo)簽： 構(gòu)建科研人員