傳統(tǒng)微生物制造面臨目標產品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的流向目標途徑，影響最終產品得率。南京農業(yè)大學食品科技學院吳俊俊副教授研究團隊結合合成生物學與仿生生物學，解碼、模擬并重構建微生物群體感應系統(tǒng)，同時結合序列特異性的內切核糖核酸酶，使得細胞資源最大程度的流向目標產品。2020年11月2日，研究成果在學術期刊《自然通訊》Nature Communications在線發(fā)表。
微生物制造是具有全球戰(zhàn)略性的新興產業(yè)，在食品、醫(yī)藥、農業(yè)等重要領域有著廣泛應用，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，大力支持傳統(tǒng)生物制造產業(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。據吳俊俊介紹，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。
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得率最高時誘導生產開始。誘導劑讓微生物‘未成年’時不生產，降低了微生物的代謝壓力，但大多數誘導劑成本較高，并且具有一定毒性，給后續(xù)純化帶來困難。吳俊俊講道，并且在傳統(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的自發(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。吳俊俊講道。利用生物仿生學的原理，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控區(qū)域，并且首次在工業(yè)微生物大腸桿菌中構建出糞腸球菌的群體感應系統(tǒng)，其基因表達調控能力為目前已知群體感應系統(tǒng)中效率最高的。
另外，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生干擾現象。吳俊俊講道，構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。
團隊同時結合序列特異性的內切核糖核酸酶，在細胞全局范圍內自發(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的流向目標產品。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)保護和調控產物的制造途徑。以綠色熒光蛋白報告基因和中鏈脂肪酸生產為案例，改造后的微生物生產強度提高了30倍，同時顯著降低了發(fā)酵副產物的濃度，團隊構建的全自動式細胞資源分配系統(tǒng)也將在微生物制造中有著重要應用。
吳俊俊告訴記者，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將合成生物學與仿生生物學相結合，將自然界中的精妙生物系統(tǒng)用于傳統(tǒng)生物制造。
未來團隊將進一步進行跨學科整合，通過整合納米技術、超分子化學、計算信息學等技術，發(fā)展更為精確、智能、高效的生物制造系統(tǒng)。吳俊俊講道：“改良后的微生物制造可以減少傳統(tǒng)制造所帶來的環(huán)境污染問題，真正實現‘綠水青山，才是金山銀山！’”
據了解，吳俊俊副教授入選江蘇省“青藍工程優(yōu)秀青年骨干教師”，江蘇省科協(xié)青年人才托舉計劃，團隊一直致力于微生物制造，使得微生物以廉價、可再生的碳水化合物作為原料，高效低碳的生成多種高值食品原料，如中鏈脂肪酸，黃酮以及高值蛋白。團隊構建出多種高效的生物制造策略，如模塊化改造策略、利用微生物實現變廢為油、輔因子偶聯(lián)改造策略、低能耗微氧系統(tǒng)的構建等。研究工作受到國家自然科學基金，江蘇省自然科學基金，江蘇省農業(yè)自主創(chuàng)新基金，中國博士后科學基金，江蘇省博士后基金，中央高校基本業(yè)務費等基金資助。
全自動式細胞資源分配器運行示意圖
日期：2020-11-05
微生物制造是具有全球戰(zhàn)略性的新興產業(yè)，在食品、醫(yī)藥、農業(yè)等重要領域有著廣泛應用，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，大力支持傳統(tǒng)生物制造產業(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。據吳俊俊介紹，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。
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得率最高時誘導生產開始。誘導劑讓微生物‘未成年’時不生產，降低了微生物的代謝壓力，但大多數誘導劑成本較高，并且具有一定毒性，給后續(xù)純化帶來困難。吳俊俊講道，并且在傳統(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的自發(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。吳俊俊講道。利用生物仿生學的原理，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控區(qū)域，并且首次在工業(yè)微生物大腸桿菌中構建出糞腸球菌的群體感應系統(tǒng)，其基因表達調控能力為目前已知群體感應系統(tǒng)中效率最高的。
另外，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生干擾現象。吳俊俊講道，構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。
團隊同時結合序列特異性的內切核糖核酸酶，在細胞全局范圍內自發(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的流向目標產品。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)保護和調控產物的制造途徑。以綠色熒光蛋白報告基因和中鏈脂肪酸生產為案例，改造后的微生物生產強度提高了30倍，同時顯著降低了發(fā)酵副產物的濃度，團隊構建的全自動式細胞資源分配系統(tǒng)也將在微生物制造中有著重要應用。
吳俊俊告訴記者，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將合成生物學與仿生生物學相結合，將自然界中的精妙生物系統(tǒng)用于傳統(tǒng)生物制造。
未來團隊將進一步進行跨學科整合，通過整合納米技術、超分子化學、計算信息學等技術，發(fā)展更為精確、智能、高效的生物制造系統(tǒng)。吳俊俊講道：“改良后的微生物制造可以減少傳統(tǒng)制造所帶來的環(huán)境污染問題，真正實現‘綠水青山，才是金山銀山！’”
據了解，吳俊俊副教授入選江蘇省“青藍工程優(yōu)秀青年骨干教師”，江蘇省科協(xié)青年人才托舉計劃，團隊一直致力于微生物制造，使得微生物以廉價、可再生的碳水化合物作為原料，高效低碳的生成多種高值食品原料，如中鏈脂肪酸，黃酮以及高值蛋白。團隊構建出多種高效的生物制造策略，如模塊化改造策略、利用微生物實現變廢為油、輔因子偶聯(lián)改造策略、低能耗微氧系統(tǒng)的構建等。研究工作受到國家自然科學基金，江蘇省自然科學基金，江蘇省農業(yè)自主創(chuàng)新基金，中國博士后科學基金，江蘇省博士后基金，中央高校基本業(yè)務費等基金資助。
全自動式細胞資源分配器運行示意圖
日期：2020-11-05
