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人工合成酵母基因组下游应用研究再获创新突破
发布日期: 2018-05-23

2017年“人工合成酵母基因组计划(Sc2.0 Project)”取得重大突破性进展后,近日,酵母基因组国际协作组基于人工酵母设计的酵母基因组快速演化系统(SCRaMbLESynthetic Chromosome Rearrangement and Modification by LoxPsym-mediated Evolution)进行的下游应用研究再获新突破,其系列研究成果汇集成七篇文章以专刊形式于522日发表在Nature Communications杂志。该系列成果是继2015年华大团队与约翰•霍普金斯大学合作,系统解析了SCRaMbLE系统的特异性与可诱导产生基因组组合多样性后,在合成酵母的下游应用研究。

据悉,Sc2.0项目中合成的人工酵母加入了大量SCRaMbLE系统的可诱导元件,这些元件在诱导条件下将两两间发生作用,引发多种类型的染色体变异(片段的删除、加倍、倒转、换位等),从而可组合产生多种特性的表型。由曼彻斯特大学、华大、中国科学院深圳先进技术研究院联合发表的文章中,研究人员通过构建体外SCRaMbLE体系,实现了对原有的3SCRaMbLE系统的敲除与整合效率的量化,改良出了整合效率更高的新型正交“SCRaMbL-in”系统;并进一步完成了人工合成酿酒酵母外源代谢通路的“SCRaMbLE-in”整合与底盘细胞SCRaMbLE进化,实现了β-胡萝卜素和紫色杆菌素合成通路的整合与优化,筛选出了相应的高产菌株。此项研究成果展示了“SCRaMbLE-in”系统可同时实现合成通路整合与底盘适应性进化的优点,为后续相关产业应用研究提供了铺垫性的技术。

此外,在另一项研究成果中,中国科学院深圳先进技术研究院主导研发了可大大提高人工酵母菌株快速演化个体筛选效率的新系统(ReSCuESreporter of SCRaMbLEd cells using efficient selection),其中华大团队通过高通量测序与高效基因组重构分析,成功解析了ReSCuES系统筛选出的可耐受乙醇、高温和乙酸的酵母菌株的耐受性机制。此项研究成果解决了如何快速筛选有价值的SCRaMbLEd菌株这一难题,展示了该筛选系统对人工酵母快速演化筛选效率的有效提高,这使得人工酵母SCRaMbLE系统能更好的被用于优良特性酵母的筛选及优良特性基因的发掘。这两个系统的结合为以酵母为基础的科学研究及工业应用提供了一个高效的技术平台,将带来不可估量的效益。

SCRaMbLE系统拥有可人为设计、需诱导才发生作用的特点,在提高基因组多样性方面具有高效性和特异性,可在多领域发挥重要作用。例如随机基因缺失功能有利于最小基因组的研究;多拷贝重复功能有助于基因演化出新的功能;在诱导SCRaMbLE系统发生作用的同时,辅以不同的筛选条件,将会发生基因组定向进化,获得特定功能的细胞,用于工业生产等。此类基因组进化过程也有助于人们更好地理解生命系统的演变历程。


SCRaMbLE系列文章链接

https://genome.cshlp.org/content/26/1/36

https://www.nature.com/articles/s41467-017-00806-y

https://www.nature.com/articles/s41467-018-04254-0

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03084-4

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03143-w

https://www.nature.com/articles/s41467-018-04157-0

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03743-6

https://www.nature.com/articles/s41467-017-02208-6