深圳先进院酿酒酵母中生物元件标准化和代谢工程研究取得系列进展

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在中国科学院国际合作局对外合作重点项目（项目编号：172644KYSB20170042）的资助下，中国科学院深圳先进技术研究院戴俊彪研究员课题组和英国爱丁堡大学蔡毅之课题组（现单位：曼彻斯特大学）在酿酒酵母中合作开展了生物元件的标准化和代谢工程研究，近几年取得了一系列成果，包括开发并利用“Wicket”工具实现代谢途径的多拷贝整合（Hou et al., 2018, ACS Synthetic Biology)，设计并构建人工蛋白质支架系统(AProSS)以实现代谢流优化(Li et al., 2018, Metabolic Engineering)，标准化合成酵母的装配和表型定量方法以提高人工生命体构建的效率(Lin et al., 2019, ACS Synthetic Biology)等。总发表论文10篇，申请专利1项，系列成果为以酿酒酵母为底盘细胞的合成生物学研究提供了有效的技术和资源。

图1 借助“Wicket”工具实现目标序列的多拷贝整合。

图2 利用人工支架蛋白提高紫色杆菌素产量。

图3 用半定量表型分析和精细装配策略提高染色体合成效率。

　　酵母可以作为微生物细胞工厂来生产有价值的化学物质，将外源途径以多拷贝的形式引入染色体的特定位置以稳定表达对于提高产量具有重要意义。在本项目资助下，研究人员利用CRISPR/Cas9技术在酵母基因组中插入了人工设计的“wicket”序列，使得能够在没有任何选择性标记辅助的情况下以接近100%的效率实现β-胡萝卜素途径的多拷贝整合，为代谢途径中多拷贝基因的整合和优化目标产物产量提供了有效的工具（图1）。
　　代谢途径各反应的参与者之间的定量关系和空间距离对于途径的流量和最终产量具有显著的影响。在本项目资助下，研究人员建立了一种通过快速组装人工支架蛋白以提高酵母生产特定天然产物的产量的新方法（AProSS）。通过对蛋白结构域的模块化设计和结构域类型、数量和位置的变化，研究人员成功构造出不同特性的支架蛋白来调节代谢流方向，使紫色杆菌素和脱氧紫色杆菌素的产量分别增加29 %和63%（图2）。
　　如何快速构建并表征人工生命体是合成生物学的重要议题。在本项目资助下，研究者们通过测试条件的选择和统计分析方法的标准化，开发了一种高通量、半定量的表型测定法，用于评估合成酵母的生长状况。与此同时，研究团队还设计了一种基于CRISPR / Cas9介导的Gene Conversion的高效染色体装配策略，极大地节省了大片段DNA组装的时间。这两个方法可以在合成菌株的表征和构建过程中提高效率，从而极大地促进合成基因组学相关项目的开展，进而有望为基于酵母的代谢工程提供人造底盘（图3）。

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       文章来源：深圳先进院
       戴俊彪，中国科学院深圳先进技术研究院研究员。课题组主要研究方向为开发基因和基因组的合成、组装及转移技术，通过基因组的设计构建解析基因组功能，并进行合成生物的改造和应用等研究。实验室近期相关研究成果发表在Science、Nature Communications、Cell Research、Developmental Cell、PNAS等国际专业期刊。