来自美国劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的研究人员利用计算模型和基于CRISPR的基因编辑,在修改微生物以高效生产一种感兴趣的化合物方面取得了前所未有的成功。他们的方法可以大大加快新的生物制造工艺的研究和开发阶段,并使尖端的生物基产品,如可持续燃料和塑料替代品更快地摆上货架。

  该过程使用计算机算法–基于真实世界的实验数据–来确定”宿主”微生物中的哪些基因可以被关闭,以重新引导生物体的能量来生产大量的目标化合物,而不是其正常的代谢产物。

  目前,这一领域的许多科学家仍然依靠临时性的、试错性的实验来确定哪些基因的修改会带来改进。此外,大多数用于生产非本地化合物的生物制造过程的微生物–意味着制造这种化合物的基因已经被插入到宿主的基因组中–只能在微生物达到一定的生长阶段后产生大量的目标化合物,导致在孵化微生物时浪费能源的缓慢过程。

  该团队的简化代谢重塑过程被称为“产品/基质配对”,它使微生物的整个代谢在任何时候都与制造该化合物相关。

  为了测试“产品/基质配对”,该团队用一种有前景的新兴宿主–一种叫做Pseudomonas putida的土壤微生物–进行了实验,这种微生物被设计为携带制造indigoidine的基因,一种蓝色的色素。科学家们评估了63种潜在的重新布线策略,并使用一种工作流程,系统地评估了理想宿主特征的可能结果,确定其中只有一种是实验上现实的。然后,他们按照计算预测的指导,进行了CRISPR干扰,以阻断14个基因的表达。

  ”我们很兴奋地看到,在我们同时针对如此多的基因之后,我们的菌株产生了极高的indigoidine产量,”共同牵头人Deepanwita Banerjee说,他是由伯克利实验室管理的联合生物能源研究所(JBEI)的博士后研究员。”目前代谢重构的标准是一次费力地针对一个基因,而不是一次针对许多基因,”她说,并指出在这篇论文之前,在代谢工程方面只有一项研究,其中作者针对六个基因进行敲除。“我们通过使用强大的基于CRISPRi的方法,大幅提高了同时修饰的上限。”Banerjee说:“这现在打开了考虑计算优化方法的领域,即使它们需要大量的基因修改,因为它们可以真正导致变革性的产出。”

  共同主要作者、JBEI研究科学家Thomas Eng补充说:“通过产品/基质配对,我们相信我们可以用我们合理设计的工艺大大减少开发商业规模生物制造工艺的时间。想想在开发青蒿素(一种抗疟药)或1-3,丁二醇(一种用于制造塑料的化学品)方面所花费的大量研究年限和人员时间是令人生畏的–从实验室笔记本到试验工厂大约需要5到10年。”他说:“大幅减少研发时间尺度是我们需要的,以使未来的生物经济成为现实。”

  伯克利实验室正在研究的目标化合物的例子包括异戊烯醇,一种有前景的生物燃料;阻燃材料的成分;以及工业中使用的石油衍生的启动分子的替代品,如尼龙前体。许多其他小组利用生物制造技术来生产先进的药物。

  首席研究员Aindrila Mukhopadhyay解释说,该团队的成功来自于其多学科的方法。Mukhopadhyay说:“这项工作不仅需要严格的计算建模和最先进的遗传学,我们还依靠我们在先进生物燃料和生物产品工艺开发部(ABPDU)的合作者来证明我们的工艺可以在更高的生产规模下保持其理想的特性,”她是生物燃料和生物产品部门的副总裁和JBEI的主机工程组的主任。“我们还与能源部(DOE)联合基因组研究所合作,对我们的菌株进行了定性。毫不奇怪,我们预计未来会有许多这样的合作,以研究我们获得的改进的经济价值,并深入研究这种急剧的代谢重构的特征。”

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