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近期科学家们在合成生物学研究领域取得的重要研究成果!

时间:2022-10-24 17:45:01 作者: 来源:贝壳妈妈网 手机阅读

  合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科,其类似于现代集成型建筑工程,将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域,近年来,科学家们在合成生物学研究领域取得了多项重要成果,本文中,小编就对相关研究成果进行整理,分享给大家!

  【1】Trends Biotechnol:中国科学家在血红蛋白微生物发酵法合成研究领域取得进展

  doi: 10.1016/j.tibtech.2020.08.004

  近日,Trends in Biotechnology杂志在线发表了江南大学科学家们的综述文章“Recent advances in the microbial synthesisof hemoglobin”,文章中,研究人员揭示了他们在血红蛋白微生物发酵法合成研究领域取得的新进展。

  血红蛋白是一类存在于原核和真核细胞中的以血红素为辅基的含铁金属蛋白,在生物体内具有运输和储存氧、调节胞内pH值、调控生理代谢等诸多重要功能。近年来,血红蛋白已经被应用于急诊医学(作为无细胞氧载体)、医疗保健(作为铁补给剂)、食品加工(食品级着色和调味剂)等领域。但血红蛋白的获取依然需要依靠从血液或植物组织中提取,提取法不仅费时低效、并且所用化学试剂还易造成环境污染。因此,以微生物细胞工厂为平台来合成不同来源的血红蛋白已经成为近年来的研究热点。

  在NCBI的GeneBank数据库中已有超过141110条的血红蛋白基因编码序列,在EMBL蛋白数据库中已有超过84424条的血红蛋白氨基酸序列,在PDB蛋白晶体数据库中也已经有725条血红蛋白的三维结构数据,但现阶段其中只有15种不同来源(人、大豆、鳄鱼等)的血红蛋白可由9种有限的微生物(大肠杆菌、酿酒酵母、枯草芽孢杆菌等)合成。根据对现有血红蛋白氨基酸序列进行系统发育树分析,发现不同来源的血红蛋白及其亚基分为几类:动物来源血红蛋白α亚基、β亚基以及其他类型亚基,植物来源单亚基血红蛋白、微生物来源血红蛋白(图1)。因此,可以综合应用目前越来越成熟的代谢工程和合成生物学策略,开发出有效且稳定的血红蛋白微生物合成方法,来满足对人、大豆、透明颤菌等不同物种血红蛋白的大规模应用的需求。

  

  图片来源:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33957462/

  【2】Biotechnol Letters:枯草芽孢杆菌代谢工程或能通过缓解溶解氧限制来提高核黄素的产量

  doi:10.1007/s10529-012-0981-9

  近期,江南大学生物工程学院饶志明教授团队在高效合成核黄素方面取得重要进展,研究成果“metabolic engineering of Bacillus subtilis for enhancing riboflavin production by alleviating dissolved oxygen limitation”发表于Bioresource Technology杂志上。

  核黄素又叫微生物素B2,是B族维生素的一种,广泛应用于制药工业以及作为食品和饲料添加剂。核黄素参与机体中一些重要的氧化还原反应,当缺乏时,就影响机体的生物氧化,使代谢发生障碍。革兰氏阳性枯草芽孢杆菌是目前最具竞争力的核黄素生产者,已广泛应用于核黄素的商业生产工艺中。在发酵过程中,随着溶解氧张力的降低,核黄素产量急剧下降。氧气供应对枯草芽孢杆菌合成核黄素代谢途径的影响机制尚不清楚。因此,探究溶氧对核黄素产量的影响及通过代谢工程策略缓解溶解氧限制对提高核黄素产量有重要意义。

  饶志明团队首先通过比较转录组分析不同溶氧条件下枯草芽孢杆菌全基因组范围内基因表达变化。氧气供应不足导致枯草芽孢杆菌数千个基因的表达发生了显着变化,其中包括嘌呤代谢、氮代谢、能量代谢等代谢途径相关的基因。核黄素的前体物质GTP是通过嘌呤代谢途径合成的,编码该途径关键酶由pur操纵子的基因编码。低溶氧下pur操纵子基因发生显着变化,其中,基因purD和purF表达下调最为明显,分别为69.55和23.92倍,这与RT-qPCR分析结果一致。而嘌呤途径抑制因子purR表达水平上调2.64倍,这可能是导致嘌呤途径基因下调的主要因素。因此,敲除基因purR解除对嘌呤途径的限制,使核黄素产量提高16.21%。

  【3】Metabolicengineering:中国科学家在大肠杆菌中实现高产L-高丝氨酸

  doi: 10.1016/j.ymben.2021.07.011

  L-高丝氨酸是一种天然存在的非蛋白氨基酸,可作为医药中间体,具有较好的市场前景。由于生产强度和经济性等原因, L-高丝氨酸的规模化应用受到严重限制。目前国内外尚未有L-高丝氨酸的产业化生产线,L-高丝氨酸也是当前少数仍未实现工业化生产的氨基酸品种。

  近日,中科院微生物研究所研究团队在《Metabolicengineering》发表了题为“Highly efficient production of L-homoserine in Escherichia coli by engineering a redox balance route”的研究文章,通过途径耦合设计,建立了还原力整体平衡的发酵路径,并将还原力供给途径中释放的CO2重利用,设计的途径实现了葡萄糖到L-高丝氨酸发酵不损失C元素。通过系统代谢工程改造和发酵工艺改进,高丝氨酸的发酵水平突破84 g/L,转化率达到50%,具有较好的经济性。

  该研究为实现L-高丝氨酸的产业化生产奠定了基础,为提高其他天冬氨酸族氨基酸的产量,提供了新思路。

  【4】Metab Eng:中国科学家实现对乙酰氨基酚的生物合成

  近日,北京化工大学研究团队在Metabolic Engineering杂志发表题为“Design and construction of an artificial pathway for biosynthesis of acetaminophen in Escherichia coli”的研究论文,该团队通过设计和构建人工生物合成途径,首次实现了利用微生物生产非天然产物对乙酰氨基酚。

  对乙酰氨基酚,又称扑热息痛,是镇痛和治疗发热的主要药物之一。2021年,预计全球对乙酰氨基酚市场规模达7.723亿美元。该团队利用酶的杂泛性及底物产物相似性原则,设计了一条对乙酰氨基酚的生物合成新途径,实现了对乙酰氨基酚的生物合成。

  文章中,研究人员通过采用温度响应控制系统,减少了合成途径中副产物的积累,实现对乙酰氨基酚产量120.03 mg/L。该研究为对乙酰氨基酚的工业化绿色生产奠定了基础。

  【5】Nature子刊:模拟天然模块聚酮合酶的有序组装提高人工细胞工厂的合成效率

  doi: 10.1038/s41467-022-33272-2

  如果说微生物细胞是一个微型工厂,那么细胞内的酶就是这个工厂内的机器,这些纳米级别的机器无时不刻地催化着细胞内的多种化学反应。天然的生物催化体系通常在微生物细胞这个微型工厂内会形成物理上、空间上组织有序的多酶复合体、酶分子脚手架或者反应微区,这种类似机器组装的高度组织性带来了高效的催化能力。然而,人工构建的合成体系多不存在这种高效的组织性,由此引发的目标途径合成效率低、代谢流不平衡等问题,很大程度上限制了人工合成体系的生物制造潜力。

  中科院深圳先进技术研究院马田副研究员、武汉大学刘天罡教授团队与邓子新院士合作在Nature Communications上发表题为“Metabolic pathway assembly using docking domains from type I cis-AT polyketide synthases”的研究成果。该研究模拟了天然模块聚酮合酶的有序组装,开发的mPKSeal策略能够有效提高人工细胞工厂的合成效率。

  

  mPKSeal多酶组装策略(以红霉素聚酮合酶DEBS为例)

  该研究通过模拟天然模块聚酮合酶 (PKS) 高度有序的组装方式,利用其中研究较多的I型cis-AT聚酮合酶对接域,开发了“mimic PKS enzyme assembly line (mPKSeal)”多酶组装策略,并应用于虾青素合成途径酶的组装,虾青素的产量最高提高了2.4倍 (产量达16.9 mg/g DCW)。这是该研究团队继RIAD/RIDD双酶组装策略之后的又一多酶组装策略的开发,前者已在不同报道中显示出其良好的应用潜力,而mPKSeal策略不再局限于两种酶的组装,而是可拓展为同一体系中的多种酶有序组装,且潜在的组装元件个数超万,可为生物催化、代谢工程及合成生物学等相关领域提供更广泛有效的提高合成效率的解决方案。

  【6】Nature:首次发现马钱子植物中的番木鳖碱生物合成途径

  doi:10.1038/s41586-022-04950-4

  在一项新的研究中,来自德国马克斯-普朗克化学生态研究所的研究人员揭示了植物马钱子(Strychnos nux-vomica)中形成番木鳖碱(strychnine,也译为士的宁,马钱子碱)的完整生物合成途径。他们确定了参与番木鳖碱和其他代谢物的生物合成的所有基因,并在模式植物本氏烟草(Nicotiana benthamiana)中表达了这些基因。这使他们能够证实这些极其复杂和具有药理学意义的分子可以用“代谢工程(metabolic engineering)”方法合成。相关研究结果于2022年7月6日在线发表在Nature期刊上。

  我们中的许多人从犯罪报告、小说或电影中知道番木鳖碱。美国谋杀悬疑作家Agatha Christie让几名受害者死于番木鳖碱中毒。她在她的第一部小说《斯泰尔斯的神秘案件》中描述了可能是最著名的涉及这种用作老鼠药的剧毒生物碱的虚构谋杀案。侦破这一案件的最后线索是由著名的侦探角色Hercule Poirot在他的第一次文学作品中发现的。在科学领域,有时也需要调查的本能和侦探的工作。

  在马克斯-普朗克化学生态研究所天然产物生物合成系的Benke Hong和Sarah O'Connor的领导。这些作者不仅要找到一个缺失的环节,还要解开导致马钱子中番木鳖碱形成的整个生物合成事件链。用犯罪文学的语言来说,可以说他们已经侦破这一案件了。诺贝尔奖获得者Robert Robinson是20世纪40年代最早阐明番木鳖碱结构的人之一,他曾就分子大小而言将这种单萜类吲哚生物碱描述为最复杂的化学物质。许多化学家对番木鳖碱的结构感到兴奋,并开发了使用化学合成法生产这种分子的方法。然而,令人惊讶的是,还没有人成功地发现植物如何生产这种天然产物。

  【7】Metab Eng:中国科学家开发动态调控技术高效合成γ-氨基丁酸

  doi:10.1016/j.ymben.2021.11.010

  γ-氨基丁酸 (GABA)是一种重要的非蛋白氨基酸,具有降血压、促睡眠、治疗癫痫和解毒等多种生理功能,在食品、医药保健、饮料加工等领域具有广泛应用前景,然而目前通过发酵法利用低附加值底物生产GABA仍处于实验室研究阶段,产量较低,尚不能满足工业生产需求,因此,开发高效的GABA合成细胞工厂具有现实意义。

  中国科学院天津工业生物技术研究所研究员刘君带领的微生物生理和代谢工程研究组以低价值甘油为原料,通过途径工程和动态代谢控制,开发了高效生产GABA谷氨酸棒杆菌细胞工厂。该研究首先利用随机RBS工程技术在谷氨酸棒杆菌中构建并优化了甘油利用途径,实现了甘油的高效同化利用。随后在该菌株中重建GABA合成途径,构建GABA合成细胞工厂,实现了甘油向GABA的生物转化。在GABA合成过程中需要TCA循环中间产物α-酮戊二酸为底物,而将过量的α-酮戊二酸代谢流导向GABA合成途径必然引起TCA循环通量降低,从而造成代谢失衡和生长阻滞,因此,如何平衡产物合成和细胞生长的关系是提升GABA生物合成的关键限制因素。

  

  该研究随后在谷氨酸棒杆菌中开发了一种可调的生长期依赖性自主双功能遗传开关(GABS),能够根据细胞生长时期自动关闭或开启基因的表达,从而实现了细胞内基因的动态表达调控。利用该调控技术重构了GABA合成代谢网络,工程菌株能够在积累足量的生物量之后发生代谢状态转变,使细胞代谢状态由“生长模式”向“生产模式”转变,从而实现了细胞生长和产物合成的协同平衡。最终构建的工程菌株GABA产量超过45 g/L,产率提升至0.4 g/g 甘油,是目前报道的利用甘油生产GABA的最高产量,对谷氨酸棒杆菌细胞工厂的代谢调控提供了新的工具和方法。

  【8】Nat Commun:开发出可用于癌症免疫治疗的蛋白质水平控制平台

  doi:10.1038/s41467-022-28623-y

  合成生物学期望能创造出能够感知细胞状态,处理信息,然后传送相应治疗结果的生物分子电路。与传统的转录电路相比,基于蛋白质的电路具有快速操作、紧凑传输和稳健、上下文无关的性能等优点。目前迫切需要设计一种能够在蛋白质水平上控制细胞间通信的设计。以癌症免疫疗法为例,理想是引入一种蛋白质电路,它可以感知细胞的癌症状态,在溶解细胞的同时,精确地分泌出时间和数量上的免疫刺激信号,以调动免疫系统,从而将这些细胞转化为疫苗,对抗其他类似的癌细胞。考虑到细胞间通讯的重要性,学者们试图将蛋白质电路与蛋白质信号的分泌和显示连接起来,而最理想的方法是使用蛋白酶直接控制蛋白质分泌。

  近日,在Nat Commun上发表的一篇题为"Protease-controlled secretion and display of intercellular signals"的学术论文中,研究人员创建了一个模块化的、可通用的设计,称为保留内质网可切割分泌(RELEASE),工程蛋白保留在内质网中,并根据特定的蛋白酶显示/分泌。

  

  内质保留分泌(RELEASE)平台。

  为了设计一个模块化的蛋白酶调节蛋白分泌系统,研究适应了自然分泌过程的各个方面。为了将内质网(ER)保留置于蛋白酶控制下,研究设计了模块化的保留内质分裂分泌(RELEASE)平台,该平台既兼容蛋白分泌,又兼容膜蛋白的表面显示。研究人员验证并优化了RELEASE的核心机制,创建了输入处理能力,然后利用RELEASE来控制生理输出。最后,他们将RELEASE与传感和处理组件结合起来,通过工程受体来响应细胞内部状态和外部信号。该设计允许通过合成蛋白酶电路对多种合成蛋白和天然蛋白进行功能调节,实现多种信号处理能力,包括逻辑运算和阈值调节。通过将RELEASE连接到额外的感知和处理电路,可以实现对"无药可治疗"的致癌基因KRAS突变体的高蛋白质分泌应答。RELEASE使局部的、可编程的细胞间信号传递成为可能,可广泛应用于神经生物学、癌症免疫治疗和细胞移植等领域。

  【9】MSB:中国科学家开发空间连续定向进化系统 实现合成生物元件的大规模平行进化

  doi:10.15252/msb.202210934

  合成生物学,旨在以工程化的理念改造或创造人工生物系统,以期理解生命、改造生命、合成生命乃至设计生命。生物元件作为合成生物系统的基本单元,它的数量和功能制约着合成生物学的发展。传统手段通过挖掘天然生物系统获得的生物元件,其性能常常不能满足人们的需求;通过理性设计发展全新生物元件的方式虽有潜力,但目前还受限于设计能力;而通过定向进化,利用进化这个“上帝之手”的力量来对已有元件进行改造和优化获得所需的功能,已成为合成生物学领域中一项重要的关键平台性技术。

  2022年9月21日,中国科学院深圳先进技术研究院刘陈立课题组与傅雄飞课题组合作,在 Molecular Systems Biology 期刊上发表了题为:Exploiting spatial dimensions to enable parallelized continuous directed evolution 的研究论文。该研究定量研究了细菌-噬菌体在空间上共同生长迁移的动力学过程,并基于这一定量理解,发展了空间噬菌体辅助连续定向进化系统(Spatial Phage-Assisted Continuous Evolution,SPACE),实现了合成生物元件的大规模平行进化。

  传统的定向进化方法一般分为突变建库和筛选这两个步骤,循环迭代需要大量的重复操作,耗费人力物力和时间。连续定向进化方法(continuous directed evolution)则利用可自我复制的生物体,在其基因组复制过程引入突变、并利用突变后该生物体复制扩增能力的差异性变化来实现建库与筛选这两个步骤的自动连接和迭代循环,从而减少人力劳动,使定向进化快速进行。

  【10】ACSAMI:科学家利用合成生物学产生易于使用的水下粘合剂

  doi:10.1021/acsami.1c14182

  一些海洋生物会分泌粘附蛋白,使其能够粘附在海水下的不同表面。这种具有吸引力的水下粘附特性激发了数十年的研究,以创造用于水下修复或生物组织修复的仿生胶。

  然而,现有的胶水通常没有理想的粘附力,难以在水下使用,或者对于医疗应用不具有生物相容性。现在,圣路易斯华盛顿大学的研究人员利用合成生物学找到一个解决方案,相关研究结果“A Biosynthetic Hybrid Spidroin-Amyloid-Mussel Foot Protein for Underwater Adhesion on Diverse Surfaces”发表在ACS applied Materials and Interfaces上。

  研究人员利用合成生物学方法通过设计和合成由淀粉样蛋白的拉链形成域、柔性蜘蛛丝序列和含二羟基苯丙氨酸 (DOPA) 的贻贝足蛋白 (Mfp) 组成的新型杂交蛋白来克服这些挑战。这种部分结构化的混合蛋白质可自组装成半结晶水凝胶,该凝胶具有高强度和韧性,以及对各种表面的强水下粘附力,包括难以粘附的塑料、肌腱和皮肤。水凝胶可通过氧化或铁螯合处理选择性脱粘。

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