劳伦斯·伯克利国家实验室 含有大肠杆菌的两升生物反应器
大肠杆菌培养物，经过代谢性重新布线，一直产生靛蓝
学分:伯克利实验室 劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员利用计算模型和基于CRISPR的基因编辑，在改造微生物以高效生产感兴趣的化合物方面取得了前所未有的成功
他们的方法可以大大加快新生物制造工艺的研发阶段，并更快地将可持续燃料和塑料替代品等尖端生物产品上架
这个过程使用计算机算法——基于真实世界的实验数据——来识别“宿主”微生物中的哪些基因可以被关闭，以将生物体的能量重新导向产生大量目标化合物，而不是其正常的代谢产物汤
目前，该领域的许多科学家仍然依靠特别的、反复试验的实验来确定是什么基因修饰导致了改善
此外，大多数用于生物制造过程的微生物产生一种非外来化合物——这意味着制造它的基因已经被插入到宿主基因组中——只能在微生物达到一定的生长阶段后产生大量的目标化合物，导致在培养微生物时浪费能量的缓慢过程
该团队简化了代谢重组过程，创造了“产品/底物配对”，使微生物的整个代谢始终与化合物的生成相关联
为了测试产品/底物的配对，研究小组用一种有前途的新兴宿主——一种叫做恶臭假单胞菌的土壤微生物——进行了实验，这种微生物被改造成携带制造蓝色色素靛蓝的基因
科学家们评估了63种潜在的重新布线策略，并使用系统评估理想主机特性的可能结果的工作流程，确定其中只有一种在实验上是现实的
然后，在计算预测的指导下，他们进行了CRISPR干扰(CRISPRi)来阻断14个基因的表达
“我们很高兴看到我们的菌株在同时靶向如此大量的基因后产生了极高的靛蓝产量，”合著者迪潘维塔·班纳吉说，他是伯克利实验室管理的联合生物能源研究所的博士后研究员
“目前代谢重组的标准是一次费力地锁定一个基因，而不是一次锁定多个基因，”她说，并指出在这篇论文之前，在代谢工程方面只有一项研究，作者锁定了六个基因进行敲除
“通过使用强大的基于CRISPRi的方法，我们大大提高了同时修改的上限
班纳吉说:“这为考虑计算优化方法开辟了一个领域，即使它们需要大量的基因改造，因为它们能够真正带来变革性的结果。”
联合首席作者托马斯·英格(Thomas Eng)是JBEI的一名研究科学家，他补充说:“通过产品/基质配对，我们相信我们可以用我们合理设计的工艺，显著减少开发商业规模生物制造工艺所需的时间
想想研发青蒿素(一种抗疟药)或1，3-丁二醇(一种用于制造塑料的化学物质)花费的研究年数和人时数就令人望而生畏——从实验室笔记本到试点工厂大约需要5到10年
大幅减少R&D时间尺度是我们实现明天生物经济所需要的，”他说
研究作者(从左到右)
刘、托马斯·英和迪潘维塔·班纳吉站在一个两升的生物反应器前，生物反应器中装有大肠杆菌
产生靛蓝的大肠杆菌细胞，靛蓝使液体呈现强烈的深蓝色
这张照片是2019年7月在JBEI拍摄的
学分:伯克利实验室 伯克利实验室正在研究的目标化合物的例子包括异戊烯醇，一种有前途的生物燃料；阻燃材料的成分；以及工业中使用的石油衍生的起始分子的替代品，例如尼龙前体
许多其他团体使用生物制造来生产先进的药物
首席研究员Aindrila Mukhopadhyay解释说，该小组的成功来自其多学科的方法
“这项工作不仅需要严格的计算模型和最先进的遗传学，我们还依靠我们在高级生物燃料和生物产品工艺开发部门的合作者来证明我们的工艺可以在更高的生产规模上保持其理想的特性，”生物燃料和生物产品部门的副总裁兼JBEI主机工程组主任Mukhopadhyay说
“我们还与能源部联合基因组研究所合作，对我们的菌株进行了鉴定
毫不奇怪，我们预计未来会有许多这样的合作来检验我们所获得的改进的经济价值，并更深入地研究这种剧烈的新陈代谢重组的特征
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