人工設計與合成原核模式生物大腸桿菌基因組

大腸桿菌是被最廣泛研究的原核模式生物。它生長快速，遺傳操作相對簡單——很多的遺傳操作技術都是首先在大腸桿菌中建立的。對大腸桿菌在組學水平的大量研究技術及生物信息學分析和建模促進了我們對大腸桿菌生物系統的理解，使我們能對大腸桿菌進行更有理性的改造，從而使它成為我們想要的超級菌株，以用于工業應用生產所需要的產物?；蚪M減小化可以降低基因組的復雜度，也減少了非必需的代謝途徑，有利于整合異源的高效生產元件以獲得高產的優化菌株。大腸桿菌的基因組有?4—5?Mbp，遠比?1?Mbp?的支原體基因組大。因此通過類似的“自下而上”從頭合成的方法來構建大腸桿菌簡約基因組并進行測試會很困難。因此，大部分與大腸桿菌減小基因組相關的研究報道都是通過“自上而下”的基因組刪減途徑來進行的。由于工業應用需求導向，我們希望構建的是具有快速生長、基因組穩定的大腸桿菌菌株?；蚪M的減小化與生長速度之間存在一定的平衡。因此，我們對大腸桿菌簡小基因組的研究并不是一味追求基因組的最小化，而是小而強大。

“自上而下”的基因組刪減策略是首先通過生物信息學方法分析生存必需基因，比如，分析天然進化的含小基因組的微生物，或者用比較基因組學分析等。第二步是用高通量基因敲除方法鑒定生存必需基因。有了這些數據，我們可以確定基因組哪些區域是生存必需的，哪些區域是生存非必需的、可敲除的。通過對基因組中的生存非必需的區域進行大段刪減的測試，測試可敲除的區域再合并到一個菌株中，這樣可以逐步構建一系列基因組減小化的菌株。

目前主要有?3?類基因組減小的大腸桿菌菌株的構建：① Delta?系列是通過大段敲除生存非必需區域，迅速將大腸桿菌基因組減小。但是由于沒有很理性的設計，最后構建出來的菌株存在生長缺陷。②相比而言，MGF?系列只累積不影響生長的較小片段的敲除，因此最后構建出來的菌株生長狀況良好。③ MDS?系列著重敲除插入序列、原噬菌體等不影響生長且有助于基因組穩定的基因。因此，最后構建出來的菌株被認為是含有?clean genome（干凈的基因組）的，且菌株生長狀況良好。

2016?年，美國科學家?Church?研究組最近報道了全合成的密碼子簡約化的大腸桿菌基因組。我們知道，1?個遺傳密碼子是由?3?個堿基組成，共有?64?個密碼子，除了?3?個終止密碼子外，其他?61?個密碼子對應于?20?種氨基酸。1?種氨基酸可以對應?1?到多個密碼子。全基因組范圍的同義密碼子置換可以構建具有遺傳隔離并具有新的生物功能的生命體。遺傳隔離是指由于新合成出來的生命體少了一些密碼子，使得外源?DNA，包括來源于病毒、質粒或其他細胞的?DNA，進入生物體內后可能無法正常表達，從而使生物體對感染和基因水平轉移不敏感。此外，可以利用置換出來的密碼子來表達?20?個氨基酸以外的非標準氨基酸，從而合成具有新化學活性的蛋白。Church?研究組通過重編程大腸桿菌基因組，將大腸桿菌基因組的?7?個密碼子，包括絲氨酸、亮氨酸、精氨酸的各?2?個密碼子以及?1?個終止子，用同義密碼子置換，從而將基因組使用的密碼子從?64?個降為?57個。這是個很大膽的舉動，因為這?7?個密碼子的置換一共涉及了?6?萬多處改動。他們將大腸桿菌基因組分成?87?個約?50?kbp?的片段，并對其中的?55?個片段進行合成與分別測試。他們發現?91%?的生存必需基因在這樣的改動之后仍能保持功能且不影響生長。這表明了基因組的可塑性還是很大的。

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