讀懂微生物的“語言”

傳統(tǒng)微生物制造面臨目標產(chǎn)物合成途徑與宿主自身途徑存在細胞資源競爭的問題，使得細胞資源難以最大程度地“抵達目的地”。“跑偏了”的結(jié)果是影響最終產(chǎn)品得率。

南京農(nóng)業(yè)大學食品科技學院副教授吳俊俊研究團隊結(jié)合合成生物學與仿生生物學，解碼、模擬并重構(gòu)建微生物群體感應系統(tǒng)，同時結(jié)合序列特異性的內(nèi)切核糖核酸酶，使得細胞資源最大程度地流向目標產(chǎn)品。近日，研究成果在《自然—通訊》在線發(fā)表。

微生物制造待改進

微生物制造是具有全球戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)，在食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等重要領(lǐng)域有著廣泛應用，有望成為未來食品的重要制造方式。

歐洲、美國、日本等發(fā)達國家和地區(qū)都已將制定了相應的國家規(guī)劃，將綠色生物制造確定為戰(zhàn)略發(fā)展重點。我國積極發(fā)展新型綠色生物制造技術(shù)，大力支持傳統(tǒng)生物制造產(chǎn)業(yè)升級變革。

與傳統(tǒng)生物分子制造方法相比，微生物制造擁有低成本、環(huán)境友好、制造效率高、可持續(xù)性高等優(yōu)點。吳俊俊向《中國科學報》介紹，目前微生物制造主要用于需求量大的大宗需求品、附加值高的藥物和保健品等，如維生素C、胰島素、有機酸等。

不過，基于傳統(tǒng)工業(yè)微生物大腸桿菌的微生物制造離不開誘導劑，誘導劑會在微生物細胞生產(chǎn)得率最高時誘導生產(chǎn)開始。

“誘導劑讓微生物‘未成年’時不生產(chǎn)，降低了微生物的代謝壓力，但大多數(shù)誘導劑成本較高，并且具有一定毒性，給后續(xù)純化帶來困難。”吳俊俊表示，“此外，在傳統(tǒng)微生物制造中，微生物宿主自身合成途徑與目標產(chǎn)物合成途徑相互競爭，部分細胞資源還會流向雜蛋白，最終得率不高。”

為改善微生物制造中的不足，吳俊俊團隊創(chuàng)新性地融合合成生物學、仿生生物學等多種學科知識，解碼、模擬并重構(gòu)建微生物群體感應系統(tǒng)，首次獲得能在單個細胞中獨立運行兩套不同的低滲漏式群體感應系統(tǒng)，使得微生物能夠互不干擾地自發(fā)執(zhí)行兩條不同的基因電路。

“所謂群體感應系統(tǒng)，就類似人類世界的語言。微生物通過這套系統(tǒng)進行交流，從而自發(fā)地控制各自的行為?！眳强】〗忉尩?。

兩套系統(tǒng)“各行其道”

利用生物仿生學原理，團隊首先解析了費舍爾弧菌的微生物群體感應系統(tǒng)中決定系統(tǒng)滲漏和正反饋控制的調(diào)控區(qū)域，并且首次在工業(yè)微生物大腸桿菌中構(gòu)建出糞腸球菌的群體感應系統(tǒng)，其基因表達調(diào)控能力為目前已知群體感應系統(tǒng)中效率最高的。

“費舍爾弧菌和糞腸球菌的群體感應系統(tǒng)就像是人類語言中的漢語和英語，為兩種完全不同的語言廣播，因此這兩套群體感應系統(tǒng)在運行的時候相互之間不會產(chǎn)生干擾現(xiàn)象?！眳强】≌f。

團隊構(gòu)建的基于微生物群體感應系統(tǒng)的自發(fā)誘導表達系統(tǒng)，將有望替代目前傳統(tǒng)的人工誘導系統(tǒng)，進一步降低微生物制造成本。

微生物在生長過程中，一方面不可避免地會有很多資源流向自身途徑的合成，另一方面對異源目標產(chǎn)物合成會有一定的排斥。由此形成了兩個合成途徑的“競爭”，導致產(chǎn)品得率不高。

在這項研究中，團隊同時結(jié)合序列特異性的內(nèi)切核糖核酸酶，在細胞全局范圍內(nèi)自發(fā)降解非目標合成途徑，保留目標合成途徑，使得細胞資源最大程度地流向目標產(chǎn)品。

通過兩套群體感應系統(tǒng)，細胞間自主性地交流——一套系統(tǒng)切割不需要的途徑，另一套系統(tǒng)保護和調(diào)控產(chǎn)物的制造途徑。團隊成員周琳以綠色熒光蛋白報告基因和中鏈脂肪酸生產(chǎn)為例介紹，改造后的微生物生產(chǎn)強度提高了30 倍，同時顯著降低了發(fā)酵副產(chǎn)物的濃度。

團隊構(gòu)建的全自動式細胞資源分配系統(tǒng)也將在微生物制造中發(fā)揮重要應用。團隊成員彭虎解釋說，微生物在生長初期，細胞資源分配系統(tǒng)會將資源流向微生物生長，提高基礎(chǔ)的菌體生長量；在到達合適生長量后，系統(tǒng)將自動將資源轉(zhuǎn)向目標產(chǎn)物合成。

精確 智能 高效

在吳俊俊看來，大自然是一個巨大寶庫，人類通過模仿大自然創(chuàng)造出多種精妙發(fā)明，如通過模仿蝙蝠制造出雷達，模仿蜻蜓制造出復眼照相機和直升機，模仿蒼蠅制造出振動陀螺儀。

“因此，團隊一直致力于通過合成生物學與仿生生物學相結(jié)合，將自然界中的精妙生物系統(tǒng)用于傳統(tǒng)生物制造。”他說。

據(jù)了解，吳俊俊團隊應用合成生物學及現(xiàn)代工業(yè)生物技術(shù)等研究方法改造工業(yè)微生物，使得微生物以廉價、可再生的碳水化合物作為原料，高效低碳地生成多種高值食品原料，如中鏈脂肪酸、黃酮以及高值蛋白，減少目前依賴植物提取或化學合成所造成的環(huán)境污染、與糧爭地等問題。

同時，團隊構(gòu)建出多種高效的生物制造策略，如模塊化改造策略、利用微生物實現(xiàn)變廢為油、輔因子偶聯(lián)改造策略、低能耗微氧系統(tǒng)等。

以輔因子改造為例。中鏈脂肪酸因其具有的消化吸收快、不易引起肥胖等特征受到廣泛關(guān)注。逆向脂肪酸氧化循環(huán)是目前合成中鏈脂肪酸最為有效的方式。然而目前缺少關(guān)于逆向脂肪酸氧化循環(huán)有效運行所需輔因子條件的研究。

團隊通過輔因子工程技術(shù)改造有益菌大腸桿菌K12，得到目前最為高效的中鏈脂肪酸合成效率，其產(chǎn)量由起始的1.2g/L 增加到4.7g/L。研究提出的優(yōu)化策略可以應用到其他乙酰輔酶A 的衍生物以及其他多輔因子需求的合成產(chǎn)物中。

未來，團隊將進一步進行跨學科整合，通過整合納米技術(shù)、超分子化學、計算信息學等技術(shù)，發(fā)展更為精確、智能、高效的生物制造系統(tǒng)?！案牧己蟮奈⑸镏圃炜梢詼p少傳統(tǒng)制造所帶來的環(huán)境污染問題，真正實現(xiàn)‘綠水青山就是金山銀山’?！眳强】≌f。