深圳先進院釀酒酵母中生物元件標準化和代謝工程研究取得系列進展
在中國科學院國際合作局對外合作重點項目的資助下，中國科學院深圳先進技術研究院戴俊彪課題組和英國愛丁堡大學蔡毅之課題組（現單位：曼徹斯特大學）在釀酒酵母中合作開展了生物元件的標準化和代謝工程研究，近幾年取得了一系列成果，包括開發并利用“Wicket”工具實現代謝途徑的多拷貝整合（Hou et al., 2018, ACS Synthetic Biology)，設計并構建人工蛋白質支架系統(AProSS)以實現代謝流優化(Li et al., 2018, Metabolic Engineering)，標準化合成酵母的裝配和表型定量方法以提高人工生命體構建的效率(Lin et al., 2019, ACS Synthetic Biology)等。總發表論文10篇，申請專利1項，系列成果為以釀酒酵母為底盤細胞的合成生物學研究提供了有效的技術和資源。
酵母可以作為微生物細胞工廠來生產有價值的化學物質，將外源途徑以多拷貝的形式引入染色體的特定位置以穩定表達對于提高產量具有重要意義。在本項目資助下，研究人員利用CRISPR/Cas9技術在酵母基因組中插入了人工設計的“wicket”序列，使得能夠在沒有任何選擇性標記輔助的情況下以接近100%的效率實現β-胡蘿卜素途徑的多拷貝整合，為代謝途徑中多拷貝基因的整合和優化目標產物產量提供了有效的工具（圖1）。
代謝途徑各反應的參與者之間的定量關系和空間距離對于途徑的流量和最終產量具有顯著的影響。在本項目資助下，研究人員建立了一種通過快速組裝人工支架蛋白以提高酵母生產特定天然產物的產量的新方法（AProSS）。通過對蛋白結構域的模塊化設計和結構域類型、數量和位置的變化，研究人員成功構造出不同特性的支架蛋白來調節代謝流方向，使紫色桿菌素和脫氧紫色桿菌素的產量分別增加29 %和63%（圖2）。
如何快速構建并表征人工生命體是合成生物學的重要議題。在本項目資助下，研究者們通過測試條件的選擇和統計分析方法的標準化，開發了一種高通量、半定量的表型測定法，用于評估合成酵母的生長狀況。與此同時，研究團隊還設計了一種基于CRISPR / Cas9介導的Gene Conversion的高效染色體裝配策略，極大地節省了大片段DNA組裝的時間。這兩個方法可以在合成菌株的表征和構建過程中提高效率，從而極大地促進合成基因組學相關項目的開展，進而有望為基于酵母的代謝工程提供人造底盤（圖3）。
圖1 借助“Wicket”工具實現目標序列的多拷貝整合。
圖2 利用人工支架蛋白提高紫色桿菌素產量。
圖3 用半定量表型分析和精細裝配策略提高染色體合成效率。
