清华大学等合作结合计算生物学和合成生物学设计了一种基于全局代谢流模拟计算的基因自主震荡性沉默策略

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关键词：

来源：

Metabolic Engineering

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来源地址：

https://doi.org/10.1016/j.ymben.2024.04.005

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

中文

原文发布日期：

2024-04-20

摘要：

2024年4月20日，清华大学化工系李春教授、北京理工大学化学与化工学院生物化工研究所胡冰副研究员团队在Metabolic Engineering上发表题为“Self-controlled in silico gene knockdown strategies to enhance the sustainable production of heterologous terpenoid by Saccharomyces cerevisiae”的研究论文，团队采用一种创新的策略，通过结合计算生物学和合成生物学的方法，设计了一种基于全局代谢流模拟计算的基因自主震荡性沉默策略，并将该策略应用于产五环三萜类化合物——齐墩果酸（oleanolic acid, OA）的酿酒酵母菌株S. cerevisiae OA07，使其OA产量和稳定性进一步显著提升。文章中，作者首先利用经过针对性优化的酿酒酵母GEM——Yeast8-OA，以及双层线性规划算法——OptKnock预测了可强化OA产率的7组基因敲除策略K1~K7。然后，针对这7组方案，构建了7个改造菌株EK1~EK7，分批发酵实验显示EK3 (OA07Δfol3)、EK5 (OA07Δabz2)和EK6 (OA07Δpha2)的OA生产能力较出发菌株OA07有显著提升，但它们在流加培养实验中，则丧失了OA提产的能力。上述结果证实了基于OptKnock的钢性敲除策略可能导致了细胞生长代谢调控能力受限，从而不利于底盘细胞可持续地高产PNPs的推测。为解决基于OptKnock的敲除策略“钢性”太强的问题，作者利用合成生物学基因线路设计思路优化了OptKnock输出策略：即在OptKnock算出的基因靶点fol3/abz2/pha2 下游引入了一个由酵母内源代谢物丙二酰辅酶A（Malonyl-CoA）诱导的负反馈回路，同时在丙二酰辅酶A合成代谢所需的功能基因acc1下游也引入了该反义转录系统，从而实现了fol3/abz2/pha2 的表达随胞内丙二酰辅酶A含量的震荡而周期性减弱。基于该策略，作者从菌株S. cerevisiae OA07出发，得到了能够自主调节基因表达的菌株R_3A、R_5A和R_6A。由于丙二酰辅酶A是酵母细胞生长所需脂肪酸合成代谢的重要前体化合物，因此，作者通过基于丙二酰辅酶A的调控回路实现了细胞生长和OA生产的平衡。发酵实验证实，在长期连续培养过程中，菌株R_3A、R_5A和R_6A的OA生产稳定性和效率均得到显著提高。最终，在发酵罐规模的连续培养中，菌株R_3A可在96小时内使OA产量达到1.23±0.04 g·L−1，这是目前报道的最高水平。