北理工在Cell旗下《Trends in Biotechnology》刊發(fā)前瞻性評述論文
發(fā)布日期：2021-12-13 供稿：生命學(xué)院 攝影：生命學(xué)院
編輯：肖雯 審核：周連景 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)生命學(xué)院霍毅欣教授團隊在生物技術(shù)領(lǐng)域一區(qū)頂級期刊《Trends in Biotechnology》（IF="19.536）發(fā)表題為“Constructing" the transcription regulatory network to optimize resource allocation for robustness synthesis”的前瞻性綜述論文，從資源分配這一全新角度審視了微生物細胞工廠魯棒性優(yōu)化的前沿進展，提出了構(gòu)建“生產(chǎn)導(dǎo)向型”細胞工廠的概念。該論文通訊作者是生命學(xué)院霍毅欣教授，第一作者為馬曉焉副研究員，共同第一作者為博士研究生馬煉杰，生命學(xué)院分子醫(yī)學(xué)與生物診療工信部重點實驗室為第一單位。
將微生物改造為細胞工廠進行化學(xué)品的發(fā)酵生產(chǎn)是實現(xiàn)綠色制造，助力“碳中和”的有效手段。然而，微生物最大化生長的天然使命與高效生產(chǎn)的人工賦能存在根本矛盾，極大阻礙了產(chǎn)量與產(chǎn)率的最大化。論文提出菌株分配資源的“閥門”概念，從轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的全局水平（Global）、局部水平（Local）、網(wǎng)絡(luò)邊緣（Edge）和底層節(jié)點（Bottom nodes）四個層級分別探討了改造菌株的中心轉(zhuǎn)錄調(diào)控機器（RNA聚合酶）及其下屬模塊的工程策略，論述了“改造轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以重構(gòu)資源分配模式從而構(gòu)建生產(chǎn)導(dǎo)向型細胞工廠并全面釋放其生產(chǎn)潛能”這一前瞻性策略。
RNAP核心酶類似于一個多通閥，負責控制資源向增長、維護和生產(chǎn)三個模塊的分配。為了構(gòu)建具有魯棒性的微生物細胞工廠，可以自上而下地對基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進行改造，從最上層的RNAP核心酶到σ因子和全局轉(zhuǎn)錄因子，再到更下層的功能基因，以實現(xiàn)細胞資源的整體重分配和局部精準引導(dǎo)（圖1B）。綜述通過分析RNAP核心酶結(jié)構(gòu)的最新研究進展（圖1C），針對核心酶與σ因子結(jié)合的兩個主要區(qū)域（β'亞基的coiled-coil結(jié)構(gòu)域和β亞基的flap結(jié)構(gòu)域）（圖1D），論述了三種調(diào)節(jié)全酶中的σ因子分布的不同策略，包括改變RNAP核心酶上與σ因子的相互作用的關(guān)鍵區(qū)域（圖1E）、改變RNAP核心酶與效應(yīng)因子之間的相互作用（圖1F）、控制RNAP 核心酶的合成以實現(xiàn)資源分配在生長（A通路）和生產(chǎn)（B通路）之間的切換（圖1G），從而最終可以通過工程式改造RNAP核心酶（斜線填充）實現(xiàn)全局轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的重編程，加強與生產(chǎn)相關(guān)模塊（深橙色）的表達（圖1A）。
圖1 通過工程式改造RNAP核心酶實現(xiàn)全局轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的重編程
本文第一作者馬曉焉副研究員和博士研究生馬煉杰聚焦利用轉(zhuǎn)錄調(diào)控手段提升細胞工廠魯棒性的研究，取得了一系列的研究進展。在全局調(diào)控層面，建立了σ54型RNA聚合酶驅(qū)動的合成途徑持續(xù)表達系統(tǒng)，解決了σ70型全酶在生長穩(wěn)定期和脅迫條件下的供應(yīng)不足問題，實現(xiàn)了合成途徑的自響應(yīng)、自激活和自強化，對低pH、高滲透壓等脅迫條件表現(xiàn)出較好的抵御能力，成功實現(xiàn)了跨越整個生長期和脅迫條件下的高效生物合成。以σ54依賴型啟動子驅(qū)動高級醇的生物合成，高級醇產(chǎn)能在進入菌體生長穩(wěn)定期后持續(xù)加強，產(chǎn)量達到常用σ70依賴型啟動子的3倍（ Biotechnol Biofuels . 2020, 13:29）。
在網(wǎng)絡(luò)邊緣層面，開發(fā)了抗脅迫模塊與生產(chǎn)模塊的“偶聯(lián)”策略。研究發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的谷氨酸依賴型抗酸系統(tǒng)即可被σ70型RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄，又可被穩(wěn)定期和脅迫條件下大量出現(xiàn)的σ38型RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄，具有全生長期穩(wěn)定表達的特點。將該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制偶聯(lián)高級醇生產(chǎn)途徑，菌株在穩(wěn)定期的產(chǎn)量提升了25%，酸脅迫下的產(chǎn)量達到現(xiàn)有工程菌株的1.8倍。這一轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)策略可有效抵御脅迫條件下胞內(nèi)s因子的更替，驅(qū)動細胞工廠在全生長期的持續(xù)合成（ Appl Microbiol Biot. 2018, 102:6）。
上述研究創(chuàng)制了生長期獨立型驅(qū)動元件、資源導(dǎo)流元件、表達強度調(diào)控元件、代謝資源閥門等在內(nèi)的多種代謝流調(diào)配元件，將代謝流由生長繁殖重定向至產(chǎn)物合成，為當前工業(yè)菌株的魯棒性改良提供了新工具。
圖2 σN驅(qū)動子的合成途徑對微生物工廠產(chǎn)量的提升
原文鏈接：https://www.cell.com/trends/biotechnology/fulltext/S0167-7799(21)00263-8#%20
附作者簡介：
馬曉焉副研究員，博士畢業(yè)于中國科學(xué)院大學(xué)，長期從事高效微生物細胞工廠的構(gòu)建、氨基酸及其高附加值衍生物的綠色合成等方面的研究。在Nat Commun、Engineering、Biotechnol Biofuels、Appl Microbiol Biot等頂級期刊發(fā)表論文20余篇，獲批發(fā)明專利多項。
霍毅欣教授，北京理工大學(xué)生命學(xué)院長聘教授，博士生導(dǎo)師。主要圍繞“大宗化學(xué)品的微生物精煉與制造”，以合成生物學(xué)手段取得了一系列面向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的科研成果。代表作發(fā)布于Science、Nat Biotechnol、Nat Commun等頂級期刊，近五年共發(fā)表高水平論文40余篇，授權(quán)近十項國際和國內(nèi)專利。主持自然科學(xué)基金委、國家重點研發(fā)計劃課題等十余項國家、省部及地區(qū)級項目。現(xiàn)任中國生物工程學(xué)會理事、工業(yè)和信息化部“分子醫(yī)學(xué)與生物診療”重點實驗室副主任、北京理工大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)責任教授等職。
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