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性命學院陳國強團隊操縱溫控靜態調控開關在大腸桿菌完成聚羥基脂肪酸酯的切確組裝

2022-03-17 16:43:04

分解生物學經由進程構建各種靜態調控體系節制切確調控代謝通路,完成方針產品的出產和特定的細胞行動。可是在代謝工程范疇,因為嘗試室構建的基因線路常常貧乏魯棒性,要想在大致積的發酵體系中完成成長對數期的中前期的靜態調控仍然有很大的挑釁。簡略的化學引誘開關因為引誘物的高本錢、不可移除性已不能知足生物出產的需要;光引誘體系在高細菌密度時難以穿透發酵罐停止切確調控;嘗試室構建的龐雜的、多元件的開關在大標準的發酵體系常常會生效。與其余感到體系比擬,溫度開關有低本錢、疾速呼應、可移除等上風。產業出產已有成熟的熱質通報實際,是以在發酵罐體系可以或許或許或許比擬輕易停止溫度調控。整體而言,溫控開關有操縱于大范圍發酵的潛力。

性命學院陳國強團隊于2021年3月3日在Nature Communications雜志上頒發題為“在大腸桿菌中操縱可逆溫度調控開關完成雙向靜態調控”(Reversible thermal regulation for bifunctional dynamic control of gene expression in Escherichia coli)的文章 ,論文操縱由溫度節制的雙向靜態調控開關,在7-L發酵罐中完成了成長對數期中前期的調控,完成了聚羥基脂肪酸酯(PHA)的切確組裝,證實了溫控開關用于大范圍出產的潛力。在差別標準完成構造調控:納米級的生物高份子聚合物分解,微米級的單細菌外形節制,毫米級的細菌菌落“類樹木年輪”菌落,證實了構建的溫控開關具備遍及合用性和體系不變性(圖1)。

圖1. 操縱溫控開關T-switch完成生物圖案、細菌變形及高份子組裝

論文起首基于溫度敏感的轉錄因子CI857和TetR家屬的轉錄按捺子PhlF構建出溫度敏感的基因開關T-switch。在30℃和37℃時,編碼綠色熒光卵白的基因sfgfp和編碼白色熒光卵白的基因mrfp別離轉錄抒發,顛末一系列優化和表征,雙向靜態溫度調控開關T-switch可以或許或許在溫度在30℃和37℃之間完成差別基因的同時轉錄上和諧下調。

隨后T-switch被操縱于三個差別的場景。第一個場景是受溫度的季候性變更觸發的樹木年輪的開導,經由進程仿照“年輪”圖案的構成進程,在平板上天生類年輪的細菌菌環,締造出新的不依靠于濃度旌旗燈號差天生的圖案(pattern),完成了毫米級的圖案節制(圖2)。經由進程對生物圖案構成的探討與締造,可以或許或許為研討者審閱生物發育、成長、構成圖案供給新的思緒。

圖2. 類樹木年輪的細菌菌落構成

第二個場景是細菌外形的變更,論文利用T-switch節制mreB和ftsZ基因,經由進程改變溫度完成細菌從球形、桿狀到纖維狀靜態變更,完成了單細胞微米級的外形節制(圖3)。細菌產品有一大類是在胞內以“內在體”情勢存在的產品,包含PHA、糖原、聚氨基酸等。細胞體積巨細決議了這些產品出產的下限,而細菌常常只要0.5-2μm巨細,是以經由進程改變細菌的外形可以或許或許或許有用地改變“內在體”產品的堆集,越大越長的細菌可以或許或許或許使得胞內產品堆集更多。別的經由進程對細菌外形的調理,使得細菌體積增大、細菌長度變長,進步了細菌與發酵液主動分手的才能,使得下流搜集菌體進程更便利,能耗本錢更低。

圖3. 溫度節制細菌外形的變更

第三個場景是細胞內高份子的切確組裝。聚羥基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates, PHAs)是一類首要由微生物分解,生物可降解且具備生物相容性的高份子資料,將有很大的潛力處理環球塑料凈化題目。今朝已貿易化的PHA比方PHBV,P3HB4HB和PHBHHx,都是隨機共聚物。而嵌段聚合物在隨機聚合物的根本上不只可以或許或許改良資料機能,還可以或許或許處理資料老化等題目【4】,可是因為PHA出產的相干碳源(前體)價錢高貴,不必葡萄糖等非相干碳源停止出產,是很難完成嵌段PHA的產業化,是以,經由進程利用具備本錢效益的碳源來設想無引誘劑的PHA嵌段共聚物出產開關很是有須要。論文經由進程T-switch在大腸桿菌中節制3-羥基丁酸(3HB)和4-羥基丁酸(4HB)呈現的時序,勝利在7L發酵罐天生了4HB比例從30到89mol%的隨機共聚物P(HB-co-4HB)和4HB比例從10到60mol%的嵌段共聚物P3HB-b-P4HB,跟著4HB單體比例的變更,隨機共聚物P(HB-co-4HB)的熔融溫度從無到有、玻璃化改變溫度下降、楊氏模量和拉伸應力加強、斷裂延長率堅持在800%以上。和隨機共聚物比擬,不異4HB比例的嵌段共聚物P3HB-b-P4HB有PHB和P4HB的特點熔融溫度峰、楊氏模量和拉伸應力明顯高于隨機共聚物,表現了加倍良好的資料機能。上述嘗試在大尺寸的發酵罐龐雜體體系完成了納米級的聚合物的切確分解節制,證實了該體系的不變性。

綜上所述,本研討構建出一個溫度節制可屢次調控的雙向靜態調控開關,完成了菌落圖案、細菌外形節制和PHA切確組裝,并且可以或許或許或許在7-L發酵罐中細菌高密度發酵時完成靜態調控。

清華大學性命學院、清華-北大性命迷信結合中學博士生王宣及清華大學書院班本科生韓佳寧(現康奈爾大學博士生)為論文的配合第一作者,清華大學性命學院陳國強傳授及中科院深圳進步前輩手藝研討院分解生物學研討所葉健文為論文的配合通信作者,性命學院博士生張旭、馬悅原、林藝娜、王歡,北京大學物理學院碩士生李典杰,性命學院本科生鄭歡然和性命學院吳赴清副研討員到場該研討。該研討獲得了科技部嚴重專項、國度天然迷信基金委、清華-INDITEX延續成長基金的幫助。


Wang, X., Han, JN., Zhang, X. et al. Reversible thermal regulation for bifunctional dynamic control of gene expression in Escherichia coli. Nat Commun 12, 1411 (2021).