人工設(shè)計與合成原核模式生物大腸桿菌基因組

大腸桿菌是被最廣泛研究的原核模式生物。它生長快速，遺傳操作相對簡單——很多的遺傳操作技術(shù)都是首先在大腸桿菌中建立的。對大腸桿菌在組學(xué)水平的大量研究技術(shù)及生物信息學(xué)分析和建模促進(jìn)了我們對大腸桿菌生物系統(tǒng)的理解，使我們能對大腸桿菌進(jìn)行更有理性的改造，從而使它成為我們想要的超級菌株，以用于工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)所需要的產(chǎn)物。基因組減小化可以降低基因組的復(fù)雜度，也減少了非必需的代謝途徑，有利于整合異源的高效生產(chǎn)元件以獲得高產(chǎn)的優(yōu)化菌株。大腸桿菌的基因組有?4—5?Mbp，遠(yuǎn)比?1?Mbp?的支原體基因組大。因此通過類似的“自下而上”從頭合成的方法來構(gòu)建大腸桿菌簡約基因組并進(jìn)行測試會很困難。因此，大部分與大腸桿菌減小基因組相關(guān)的研究報道都是通過“自上而下”的基因組刪減途徑來進(jìn)行的。由于工業(yè)應(yīng)用需求導(dǎo)向，我們希望構(gòu)建的是具有快速生長、基因組穩(wěn)定的大腸桿菌菌株。基因組的減小化與生長速度之間存在一定的平衡。因此，我們對大腸桿菌簡小基因組的研究并不是一味追求基因組的最小化，而是小而強(qiáng)大。

“自上而下”的基因組刪減策略是首先通過生物信息學(xué)方法分析生存必需基因，比如，分析天然進(jìn)化的含小基因組的微生物，或者用比較基因組學(xué)分析等。第二步是用高通量基因敲除方法鑒定生存必需基因。有了這些數(shù)據(jù)，我們可以確定基因組哪些區(qū)域是生存必需的，哪些區(qū)域是生存非必需的、可敲除的。通過對基因組中的生存非必需的區(qū)域進(jìn)行大段刪減的測試，測試可敲除的區(qū)域再合并到一個菌株中，這樣可以逐步構(gòu)建一系列基因組減小化的菌株。

目前主要有?3?類基因組減小的大腸桿菌菌株的構(gòu)建：① Delta?系列是通過大段敲除生存非必需區(qū)域，迅速將大腸桿菌基因組減小。但是由于沒有很理性的設(shè)計，最后構(gòu)建出來的菌株存在生長缺陷。②相比而言，MGF?系列只累積不影響生長的較小片段的敲除，因此最后構(gòu)建出來的菌株生長狀況良好。③ MDS?系列著重敲除插入序列、原噬菌體等不影響生長且有助于基因組穩(wěn)定的基因。因此，最后構(gòu)建出來的菌株被認(rèn)為是含有?clean genome（干凈的基因組）的，且菌株生長狀況良好。

2016?年，美國科學(xué)家?Church?研究組最近報道了全合成的密碼子簡約化的大腸桿菌基因組。我們知道，1?個遺傳密碼子是由?3?個堿基組成，共有?64?個密碼子，除了?3?個終止密碼子外，其他?61?個密碼子對應(yīng)于?20?種氨基酸。1?種氨基酸可以對應(yīng)?1?到多個密碼子。全基因組范圍的同義密碼子置換可以構(gòu)建具有遺傳隔離并具有新的生物功能的生命體。遺傳隔離是指由于新合成出來的生命體少了一些密碼子，使得外源?DNA，包括來源于病毒、質(zhì)粒或其他細(xì)胞的?DNA，進(jìn)入生物體內(nèi)后可能無法正常表達(dá)，從而使生物體對感染和基因水平轉(zhuǎn)移不敏感。此外，可以利用置換出來的密碼子來表達(dá)?20?個氨基酸以外的非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸，從而合成具有新化學(xué)活性的蛋白。Church?研究組通過重編程大腸桿菌基因組，將大腸桿菌基因組的?7?個密碼子，包括絲氨酸、亮氨酸、精氨酸的各?2?個密碼子以及?1?個終止子，用同義密碼子置換，從而將基因組使用的密碼子從?64?個降為?57個。這是個很大膽的舉動，因為這?7?個密碼子的置換一共涉及了?6?萬多處改動。他們將大腸桿菌基因組分成?87?個約?50?kbp?的片段，并對其中的?55?個片段進(jìn)行合成與分別測試。他們發(fā)現(xiàn)?91%?的生存必需基因在這樣的改動之后仍能保持功能且不影響生長。這表明了基因組的可塑性還是很大的。

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