研究人員建立放線菌天然產(chǎn)物合成基因簇多位點(diǎn)染色體插入新技術(shù)

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來源：植物生理生態(tài)研究所

2019-01-09

國際學(xué)術(shù)期刊Metabolic Engineering 在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所姜衛(wèi)紅研究組題為aMSGE： advanced multiplex site-specific genome engineering with orthogonal modular recombinases in actinomycetes 的論文。該研究創(chuàng)建了一種高效、通用的放線菌天然產(chǎn)物合成基因簇多位點(diǎn)染色體插入的新技術(shù)，為微生物藥物的研究與開發(fā)提供了又一種先進(jìn)的操作工具。

放線菌天然產(chǎn)物具有多元的化學(xué)結(jié)構(gòu)與廣譜的生物學(xué)活性，已被廣泛用作殺蟲劑、抗腫瘤藥物與免疫抑制劑等，為人類健康以及農(nóng)牧業(yè)病蟲害防治作出了巨大貢獻(xiàn)。然而，放線菌重要藥物產(chǎn)生菌通常發(fā)酵單位較低且遺傳操作困難。目前，高產(chǎn)菌的構(gòu)建還主要依賴常規(guī)誘變篩選，效率低且工作量大，因此亟需發(fā)展先進(jìn)高效的分子育種平臺，從而實(shí)現(xiàn)其生物制造技術(shù)的升級換代。

為優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)物的生物合成，目前廣泛使用的代謝工程策略包括強(qiáng)化合成途徑、刪減競爭支路、優(yōu)化調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、反應(yīng)區(qū)室化以及實(shí)時動態(tài)響應(yīng)等。不言而喻，通過增加生物合成基因簇的拷貝數(shù)以強(qiáng)化目標(biāo)產(chǎn)物合成是最為直接、有效的策略之一。2017年，姜衛(wèi)紅研究組基于“一個整合酶-多個attB位點(diǎn)”的理念，建立了一種新的放線菌天然產(chǎn)物合成基因簇?cái)U(kuò)增方法MSGE（Li et al.， Metab Eng， 2017）（圖1A左）。該方法顯著加快了異源表達(dá)底盤細(xì)胞以及一些易操作工業(yè)菌株的構(gòu)建，然而需多輪引入人工attB位點(diǎn)，且不適用于遺傳操作困難的放線菌。該論文中，作者巧妙利用放線菌基因組天然存在的多個attB位點(diǎn)與一系列正交的位點(diǎn)特異性重組系統(tǒng)，基于“多個整合酶-多個attB位點(diǎn)”的理念，開發(fā)了一種更為高效、普適的基因簇?cái)U(kuò)增新方法aMSGE（圖1A右）。新方法僅需將多套整合系統(tǒng)直接添加至含有目標(biāo)基因簇的載體上，即可一步實(shí)現(xiàn)基因簇多位點(diǎn)染色體插入。為加快aMSGE方法的實(shí)施，還構(gòu)建了一套“即插即用”的多拷貝整合工具箱（圖1B）。最后，利用新建立的aMSGE方法，作者分別在天藍(lán)色鏈霉菌與冰城鏈霉菌中，快速實(shí)現(xiàn)了丙二酰輔酶A合成基因與5-酮米爾貝霉素（殺蟲劑米爾貝肟前體）合成基因簇3個拷貝的染色體整合，其終產(chǎn)物放線紫紅素與5-酮米爾貝霉素產(chǎn)量分別提升4.6與1.9倍，體現(xiàn)了該方法的普適性。

作為新一代放線菌合成生物技術(shù)，aMSGE方法無需在目標(biāo)基因（簇）擴(kuò)增前對染色體進(jìn)行任何遺傳修飾，因此大幅節(jié)省分子育種時間，適用于遺傳操作困難的工業(yè)菌株。由于位點(diǎn)特異重組系統(tǒng)廣泛分布于多種細(xì)菌中，aMSGE方法也可拓展到其他細(xì)菌的基因組工程改造，從而加快化學(xué)品、生物燃料及藥物的高效合成。

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