【學(xué)以精工】北理工iGEM亞洲金獎作品（下）——微生物智能熱量調(diào)節(jié)引擎
發(fā)布日期：2013-11-05 供稿：宣傳部 學(xué)生記者 張夢夢
編輯：宣傳部 閱讀次數(shù)： 日前，北京理工大學(xué)生命學(xué)院BIT、BIT-China兩支學(xué)生代表隊(duì)參加了在香港中文大學(xué)康本學(xué)術(shù)科技園舉行的國際遺傳工程機(jī)器設(shè)計競賽（iGEM）亞洲區(qū)的決賽，獲得了兩枚金獎的驕人成績，并成功晉級將于2013年11月初在美國麻省理工學(xué)院（MIT）舉辦的iGEM-2013世界錦標(biāo)賽決賽。
iGEM是由美國麻省理工學(xué)院2005年創(chuàng)辦的，現(xiàn)已發(fā)展成為合成生物學(xué)領(lǐng)域國際性的學(xué)術(shù)競賽。競賽要求學(xué)生自主選題，設(shè)計并構(gòu)建一個能夠在工程菌（大腸桿菌）中實(shí)現(xiàn)表達(dá)和操控的生物系統(tǒng)，該科研成果將提交給MIT的競賽組委會，供全球的科學(xué)家共享，從而使學(xué)生的創(chuàng)新成果擁有更為深遠(yuǎn)的學(xué)術(shù)價值和潛在應(yīng)用價值。
今年亞洲賽區(qū)決賽共有68支隊(duì)伍參賽，包括北京大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交大、香港科技大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、香港中文大學(xué)、臺灣陽明大學(xué)等亞洲知名大學(xué)代表隊(duì)在內(nèi)。此項(xiàng)競賽受到 Nature、Science等國際權(quán)威科學(xué)雜志，以及 BBC 這樣的傳統(tǒng)媒體的關(guān)注，并進(jìn)行專題報道，具有非常大的國際影響力。
北京理工大學(xué)生命學(xué)院圍繞該項(xiàng)比賽進(jìn)行了認(rèn)真籌備，不僅向兄弟高校學(xué)習(xí)調(diào)研，同時結(jié)合我校生命類學(xué)生的特點(diǎn)，開展了廣泛動員，并吸收了部分其他專業(yè)學(xué)生參與其中，真正體現(xiàn)了我校理工學(xué)科雄厚基礎(chǔ)以及生命科學(xué)新興交叉學(xué)科的活力。
上期介紹北理工生命學(xué)院BIT參賽隊(duì)伍關(guān)于牛奶中抗生素監(jiān)測的新策略，本期我們將關(guān)注另一只參賽隊(duì)伍BIT-China，該對18名成員在生命學(xué)院李春教授和郭淑元副教授的指導(dǎo)下，利用多種前沿的合成生物學(xué)技術(shù)完成了題為《Intelligent Microbial Heat Regulation Engine》（微生物智能熱量調(diào)節(jié)引擎）的參賽項(xiàng)目。
21世紀(jì)生物產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。而生物產(chǎn)業(yè)依存的微生物發(fā)酵過程控制及其設(shè)備是一類高能耗的過程和裝置。目前，大規(guī)模生產(chǎn)中單臺發(fā)酵罐的體積已達(dá)到300～400立方米，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱量必須通過低溫循環(huán)水帶走。據(jù)統(tǒng)計，目前我國的發(fā)酵裝置中，動力費(fèi)用約占發(fā)酵液成本的25％～40％, 其中常用的冷卻過程每立方米發(fā)酵液每小時需要的電功率為1.6～2.8千瓦時。計算發(fā)現(xiàn)，如果發(fā)酵培養(yǎng)控制溫度每升高5℃，冷卻水消耗將減少15%。以年產(chǎn)萬噸發(fā)酵產(chǎn)品的企業(yè)計算，僅冷卻用電可減少172.8萬千瓦時。據(jù)中糧集團(tuán)有限公司統(tǒng)計表明，若發(fā)酵控制溫度升高1℃，中糧集團(tuán)一年就可以降低近1億的成本。對于我國這樣一個以煤電為主的國家，全年將節(jié)約用電345600kWh，節(jié)約用煤42508噸，二氧化碳減排111373056。因此，提高微生物細(xì)胞的耐熱性對于提高生物反應(yīng)效率、降低控制過程能耗和生產(chǎn)成本至關(guān)重要。
BIT-China代表隊(duì)構(gòu)建的微生物智能熱量調(diào)控引擎，主要微生物自主耐熱系統(tǒng)和數(shù)量調(diào)控系統(tǒng)兩個系統(tǒng)。微生物自主耐熱系統(tǒng)拓寬了發(fā)酵工程菌的最適溫度范圍，縮短了發(fā)酵周期，提高了生產(chǎn)效率，而數(shù)量調(diào)控基因路線通過控制細(xì)胞數(shù)量來控制微生物的代謝熱，實(shí)現(xiàn)了溫度可調(diào)、維持細(xì)胞高活力，大大降低了微生物反應(yīng)過程中的水電成本，達(dá)到了節(jié)能降耗和二氧化碳減排的效果，為綠色地球貢獻(xiàn)了力量。
在具體技術(shù)設(shè)計方面，BIT-China代表隊(duì)通過提取并篩選嗜熱厭氧菌（最適生長溫度80多度）中較優(yōu)的熱激蛋白（Heat shock protien）作為耐熱元件，轉(zhuǎn)化導(dǎo)入到大腸桿菌中，從而提高了大腸桿菌的最適生長溫度，并利用RNA熱敏開關(guān)（RNA thermometers）來感應(yīng)溫度信息，實(shí)現(xiàn)不同溫度下，不同數(shù)量的熱激蛋白的開啟，通過開啟的熱激蛋白的數(shù)量來控制發(fā)酵過程中微生物細(xì)胞的數(shù)量。數(shù)量調(diào)控體統(tǒng)中，細(xì)胞群體感應(yīng)（quorum sensing）是感應(yīng)器，通過監(jiān)控細(xì)胞數(shù)量來決定下游功能基因是否表達(dá)，基因震蕩回路（gene oscillator）和細(xì)胞凋亡系統(tǒng)（program cell death）則根據(jù)上游信息來控制是否啟動細(xì)胞凋亡和數(shù)量調(diào)控基因線路。
下圖展示的是微生物自主耐熱系統(tǒng)的原理圖，如圖所示的是利用RNA熱敏開關(guān)控制基因開啟，表達(dá)功能基因熱激蛋白（Hsp）的過程。
下圖所示的是群體感應(yīng)和數(shù)量控制系統(tǒng)的原理圖，從群體感應(yīng)到震蕩，最后到細(xì)胞凋亡，以達(dá)到控制數(shù)量的目的。
BIT-China代表隊(duì)還為此次iGEM大賽的基因元件庫提供了一些新的元件。另外，中糧集團(tuán)對該研究成果有了合作意向，相信很快就可以看到該科研成果被運(yùn)用到實(shí)際的發(fā)酵生產(chǎn)中去。
（審核：生命學(xué)院 李春）
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