微生物遺傳技術有望推動燃料、材料和化學品的生物制造
研究作者（從左到右）Andrew K. Lau、Thomas Eng 和 Deepanwita Banerjee 站在一個 2 升的生物反應器前，該生物反應器中含有惡臭假單胞菌細胞，這些細胞會產生靛藍，這會導致液體呈深藍色。這張照片于 2019 年 7 月在 JBEI 拍攝。圖片來源：伯克利實驗室
一種改變微生物代謝過程的新方法將加速創新生物燃料、材料和化學品的生產。
勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 的研究人員在使用計算模型和基于 CRISPR 的基因編輯修改微生物以有效生產感興趣的化合物方面取得了前所未有的成功。
他們的方法可以顯著加快新生物制造工藝的研發階段，并更快地將可持續燃料和塑料替代品等尖端生物基產品上架。
該過程使用計算機算法——基于真實世界的實驗數據——來確定“宿主”微生物中的哪些基因可以被關閉，以將有機體的能量重新導向產生大量目標化合物，而不是其正常的代謝產物湯.
目前，該領域的許多科學家仍然依靠臨時的、反復試驗的實驗來確定哪些基因修飾會導致改進。此外，用于生產非天然化合物的生物制造過程中的大多數微生物——即制造它的基因已插入宿主基因組——只能在微生物達到一定的生長期后才能產生大量的目標化合物，從而導致緩慢在培養微生物時浪費能量的過程。
新發現：用顯微鏡發現微觀美景：毛毛蟲破卵
一個 2 升的生物反應器，其中含有惡臭假單胞菌培養物，該培養物一直在進行代謝重新布線以生產靛藍。學分：伯克利實驗室
該團隊簡化的代謝重新布線過程，創造了“產品/底物配對”，使得微生物的整個新陳代謝始終與制造化合物有關。
為了測試產品/底物的配對，該團隊對一種很有前途的新興宿主進行了實驗——一種名為惡臭假單胞菌的土壤微生物——它被設計成攜帶基因來制造靛藍素，一種藍色色素。科學家評估了 63 種潛在的重新布線策略，并使用系統評估理想宿主特征的可能結果的工作流程，確定其中只有一種在實驗上是現實的。然后，根據他們的計算預測，他們進行了 CRISPR 干擾 (CRISPRi) 來阻止 14 個基因的表達。
聯合生物能源研究所 (JBEI) 的博士后研究員、共同主要作者 Deepanwita Banerjee 說：“我們很高興看到我們的菌株在我們同時靶向如此大量的基因后產生了極高產量的靛藍堿。”由伯克利實驗室。“目前代謝重組的標準是一次費力地針對一個基因，而不是同時針對多個基因，”她說，并指出在本文之前只有一項代謝工程研究，其中作者針對六個基因擊倒。“我們通過使用強大的基于 CRISPRi 的方法，大大提高了同時修改的上限。這現在開辟了考慮計算優化方法的領域，即使它們需要大量的基因修改，
共同主要作者、JBEI 研究科學家 Thomas Eng 補充說：“通過產品/底物配對，我們相信我們可以通過我們合理設計的工藝顯著減少開發商業規模生物制造工藝所需的時間。想想在開發青蒿素（一種抗瘧藥）或 1-3,丁二醇（一種用于制造塑料的化學物質）上花費的研究年數和時間，令人望而生畏——從實驗室筆記本到試驗工廠大約需要 5 到 10 年。大幅縮短研發時間是我們使明天的生物經濟成為現實所需要的，”他說。
伯克利實驗室正在研究的目標化合物的例子包括異戊烯醇，一種很有前途的生物燃料；阻燃材料成分；以及工業中使用的石油衍生起始分子的替代品，例如尼龍前體。許多其他團體使用生物制造來生產先進的藥物。
首席研究員 Aindrila Mukhopadhyay 解釋說，該團隊的成功來自其多學科方法。“這項工作不僅需要嚴格的計算建模和最先進的遺傳學，我們還依靠我們在先進生物燃料和生物產品工藝開發單元 (ABPDU) 的合作者來證明我們的工藝可以在更高的生產規模，”JBEI 生物燃料和生物產品部門副總裁兼主機工程組總監 Mukhopadhyay 說。“我們還與能源部 (DOE) 聯合基因組研究所合作來描述我們的菌株。毫不奇怪，我們預計未來會有許多這樣的合作來檢驗我們獲得的改進的經濟價值，
參考文獻：Deepanwita Banerjee、Thomas Eng、Andrew K. Lau、Yusuke Sasaki、Brenda Wang、Yan Chen、Jan-Philip Prahl、Vasanth 的“基因組規模的代謝重組提高了大規模非天然產物靛藍的滴度率和產量” R. Singan、Robin A. Herbert、Yuzhong Liu、Deepti Tanjore、Christopher J. Petzold、Jay D. Keasling 和 Aindrila Mukhopadhyay，2020 年 10 月 23 日，Nature Communications。
DOI: 10.1038/s41467-020-19171-4
這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持。美國能源部聯合基因組研究所是位于伯克利實驗室的美國能源部科學辦公室用戶設施。