加快生物系統(tǒng)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的生物制造！
小楊 / 2020-06-17 08:16:49
中國微生物菌種查詢網(wǎng)：西北大學(xué)的合成生物學(xué)家開發(fā)了一種新的快速原型系統(tǒng)，以加速生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而將生產(chǎn)可持續(xù)性生物制造產(chǎn)品的時(shí)間從數(shù)月縮短至數(shù)周。
隨著氣候變化，人口增長和能源安全等全球挑戰(zhàn)的加劇，對(duì)使用可持續(xù)資源生產(chǎn)的低成本生物燃料和生物產(chǎn)品(如藥品和材料)的需求日益增加。工業(yè)生物技術(shù)利用微生物細(xì)胞工廠來利用可將分子轉(zhuǎn)化為所需化學(xué)產(chǎn)品的酶集合，已顯示出解決這些需求的潛力。但是，在單元中設(shè)計(jì)，構(gòu)建和優(yōu)化這些途徑仍然復(fù)雜而緩慢，無法跟上需求的動(dòng)態(tài)變化。
這個(gè)新平臺(tái)稱為生物合成酶的體外原型設(shè)計(jì)和快速優(yōu)化(iPROBE)，提供了一個(gè)快速而強(qiáng)大的設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測試框架，以發(fā)現(xiàn)細(xì)胞代謝工程的最佳生物合成途徑，這可能會(huì)影響來自以下領(lǐng)域的一系列行業(yè)(或問題)消費(fèi)產(chǎn)品的清潔能源。
麥考密克化學(xué)與生物工程學(xué)教授沃爾特·P·墨菲和查爾斯·德林·麥考密克卓越教學(xué)教授說：“我們首次展示了無細(xì)胞平臺(tái)可以為工業(yè)蜂窩系統(tǒng)提供信息并加快設(shè)計(jì)速度?！敝笇?dǎo)西北合成生物學(xué)中心的工程學(xué)院。“我們?cè)诖蠹s兩周內(nèi)完成了傳統(tǒng)上要花6到12個(gè)月的時(shí)間。我們的發(fā)現(xiàn)將有助于加快我們實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生物制造實(shí)踐的步伐?！?br />
該平臺(tái)利用了Northwestern在無細(xì)胞合成生物學(xué)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位，并參與了最近由Jewett領(lǐng)導(dǎo)的三項(xiàng)研究。
杰維特說：“ iPROBE可以幫助科學(xué)家為各種可持續(xù)化學(xué)物質(zhì)識(shí)別最佳的酶，并將其大規(guī)模地投入生產(chǎn)。”“我們將這種無細(xì)胞系統(tǒng)設(shè)想為引擎，以幫助實(shí)現(xiàn)未來的生物經(jīng)濟(jì)。”
采用無細(xì)胞方法
“體外原型和生物合成酶的單元設(shè)計(jì)的快速優(yōu)化，” 6月15日發(fā)表在雜志上自然-化學(xué)生物學(xué)，介紹iPROBE是如何工作的。
為了生產(chǎn)可持續(xù)的化學(xué)物質(zhì)，合成生物學(xué)家將蛋白質(zhì)酶縫合在一起以進(jìn)行單獨(dú)的分子轉(zhuǎn)化，將葡萄糖或二氧化碳等現(xiàn)成的庫存轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品。當(dāng)前的測試方法要求這些酶在DNA中編碼，置于單個(gè)質(zhì)粒分子上，然后插入活細(xì)胞中。每次必須重復(fù)此過程以研究不同的酶，以期確定最佳的分組。
Jewett說：“結(jié)果是設(shè)計(jì)周期太慢了?！薄拔覀冏罱K需要數(shù)百個(gè)人的多年開發(fā)才能將產(chǎn)品推向市場。這太慢了，無法應(yīng)對(duì)氣候變化等挑戰(zhàn)以及我們面臨的其他快速增長的問題?！?br />
iPROBE使用無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成功能豐富了試管中的生物合成酶以進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而繞過了工程生物的局限。該系統(tǒng)與洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin)開發(fā)的計(jì)算設(shè)計(jì)算法相結(jié)合，可以快速研究途徑酶的比例，在所需的多步途徑的背景下調(diào)節(jié)單個(gè)酶，篩選高性能酶，并發(fā)現(xiàn)具有最佳功能的酶。
該論文的第一作者，Jewett實(shí)驗(yàn)室的研究員兼助理科學(xué)總監(jiān)Ashty Karim說：“ iPROBE必須是多方面的且易于使用。”“我們著手設(shè)計(jì)一個(gè)平臺(tái)，該平臺(tái)可以測試數(shù)百種生物合成假說，而無需通過混合和匹配酶來重新設(shè)計(jì)微生物。”
Jewett將不同酶組合的混合匹配分析比作雞尾酒。
杰維特說：“想象一下，您是一個(gè)調(diào)酒師，對(duì)制作完美的混合飲料感興趣。您希望將所有可能使用的雞尾酒成分匯總在一起?！薄?iPROBE允許我們以這種基于雞尾酒的方法混合和匹配酶，以確定進(jìn)行可持續(xù)化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和合成的最佳組合，但我們無需花費(fèi)數(shù)月至數(shù)年的時(shí)間，而是可以在數(shù)天內(nèi)完成周。”
在梭菌中尋找最佳途徑
為了驗(yàn)證iPROBE系統(tǒng)，研究人員開發(fā)了3-羥基丁酸酯(3-HB)和丁醇(一種自產(chǎn)乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)中的兩種有機(jī)化合物)的最佳生物合成途徑，該細(xì)菌是由代謝的一氧化碳自然產(chǎn)生乙醇的細(xì)菌。
卡里姆說：“對(duì)我們來說，重要的是我們展示了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。”“我們擁有這個(gè)理想的解決方案，只能通過正確的合作來實(shí)現(xiàn)加快生物技術(shù)研究和開發(fā)的步伐?！?br />
在確定了體外最佳途徑后，研究人員與清潔能源初創(chuàng)企業(yè)Lanzatech的合作者共享了這些途徑，Lanzatech專門研究梭狀芽胞桿菌菌株生產(chǎn)可持續(xù)燃料。那里的研究人員應(yīng)用了這些途徑，發(fā)現(xiàn)梭狀芽胞桿菌中3-HB的產(chǎn)量增加了20倍，從而將iPROBE在實(shí)驗(yàn)室中的成功與工業(yè)環(huán)境聯(lián)系在一起。
杰維特說：“與像梭狀芽孢桿菌這樣的生物一起工作是困難的;遺傳工具并不那么復(fù)雜，通常缺乏高通量的工作流程，并且存在轉(zhuǎn)化特質(zhì)。”“成功進(jìn)行這一過程將推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的新視野。有什么能比將大氣中的廢氣大規(guī)模轉(zhuǎn)化為可持續(xù)性化學(xué)品更好的呢?”
檸檬烯和苯乙烯的合成
在《新陳代謝工程》雜志上發(fā)表的第二篇論文中，Jewett和他的團(tuán)隊(duì)專注于應(yīng)用iPROBE優(yōu)化檸檬烯的合成，檸檬烯是一種稱為萜烯的有機(jī)化合物的成員。檸檬烯在橙皮和其他柑橘皮的油中發(fā)現(xiàn)，并為其帶來果香。該分子不僅通常用于增強(qiáng)家用清潔劑和制成品的氣味，而且還顯示出有助于推進(jìn)可持續(xù)燃料發(fā)展的潛力。
在短短幾周內(nèi)，iPROBE的無細(xì)胞方法導(dǎo)致了數(shù)百種酶組合的探索，從而合成了檸檬烯。
杰維特說：“過去，人們只能研究20或30種途徑?！薄拔覀冋故玖薸PROBE如何應(yīng)用于這種特殊的生物合成途徑，并不僅可以擴(kuò)展到100或200種途徑，而且可以擴(kuò)展到500種途徑。它為無細(xì)胞系統(tǒng)如何加速重要的可持續(xù)化學(xué)品的生物設(shè)計(jì)樹立了新標(biāo)準(zhǔn)。”
第三篇論文，也發(fā)表在《代謝工程》上，著眼于苯乙烯，這是一種石油衍生的分子，通常用于一次性銀器和泡沫包裝。盡管過去的努力已經(jīng)嘗試使用諸如大腸桿菌的活生物體來合成該分子，但是苯乙烯的天然毒性限制了其生產(chǎn)能力。Jewett和他的團(tuán)隊(duì)使用iPROBE通過迄今為止的生化方法合成了最高量的苯乙烯，而沒有額外的工藝改進(jìn)。
杰維特說：“這一進(jìn)步為從依賴化石燃料的生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)變?yōu)楦呖沙掷m(xù)性，基于生物合成的戰(zhàn)略打開了一天的大門?！?br />