研究人员开发了酵母全基因组工程的新功能

人类最古老的工业合作伙伴之一是酵母，一种熟悉的微生物，使早期的社会能够酿造啤酒和发酵面包，并使现代人能够合成生物燃料并进行关键的生物医学研究。酵母仍然是一种重要的生物制剂，但我们探索和影响其基因组活性的能力却落后了。在Nature Communications的一篇新文章中，伊利诺伊大学的研究人员描述了他们成功整合几种尖端技术 - 标准化遗传组件的创建，可定制基因组编辑工具的实施以及分子生物学实验室任务的大规模自动化 - 将如何增强我们与酵母一起工作的能力。他们的新方法的结果证明了它有可能产生有价值的新型工业用酵母菌株，以及揭示对酵母基因组的更复杂的理解。

“这项工作的目标实际上是为酵母开发基因组规模的工程工具......传统的代谢工程专注于少数几个基因，而现有的几个基因组规模的工程工具只适用于细菌，而不适用于酵母等真核生物“领导这项研究的化学与生物分子工程主席Steven L. Miller说。“第二项创新是合成生物学概念的使用，部件的模块化以及与机器人系统的集成，因此我们可以在高吞吐量下实现这一目标。”

该团队专注于酵母，部分原因在于其重要的现代应用; 酵母用于将生物质原料的糖转化为生物燃料，如乙醇和工业化学品，如乳酸，或分解有机污染物。由于酵母和其他真菌(如人类)是真核生物，具有分隔的细胞结构和控制其基因活性的复杂机制的生物，酵母基因组功能的研究也是生物医学研究的关键组成部分。

“在基础科学方面，许多基因真核生物学都是在酵母中研究的，”卡尔·R·沃斯基因组生物学研究所研究员Tong Si说。“人们对这些复杂系统的了解有限。尽管酵母中大约有6,000个基因，但人们可能通过它们的功能知道不到1000个;所有其他人，人们都不知道。”

该小组通过创建所谓的cDNA文库迈出了实现酵母新工程策略目标的第一步：来自面包酵母(Saccharomyces cerevisiae)基因组的90%以上基因的集合，按照习俗排列DNA片段使得每个基因在一种形式中在酵母细胞内过度活跃，而在第二种形式中，活性降低。Zhao及其同事研究了CRISPR-Cas系统的能力，这是一组从细菌免疫系统中借用的分子(CRISPR代表聚集的规则间隔短回文重复序列，描述了该系统在细菌基因组中的特征)。该系统允许赵在酵母基因组中进行精确切割，其中来自其文库的标准化遗传部分可以自我插入。

“我们第一次这样做，在2013年，没有CRISPR ......我们能得到的最好的是一次运行中修饰的细胞的1%，”Si说。“我们在这方面做了一点努力，当CRISPR出现时，它起作用了。我们把它变成了70%[细胞修饰]，所以这非常重要。”

通过基因活性调节部件以高效率整合到基因组中，研究人员能够随机生成许多不同的酵母菌株，每种菌株都有自己独特的修饰。对这些菌株进行人工选择过程以鉴定具有所需性状的那些菌株，例如暴露于生物燃料生产过程中使用的试剂的存活能力。

伊利诺斯州高级生物制造生物制造厂(iBioFAB)极大地帮助了这一选择过程，iBioFAB是一种机器人系统，以自动方式执行上述大部分实验室工作，包括选择有前途的酵母菌株。使用iBioFAB大大加快了工作速度，可以同时创建和测试许多独特的菌株。iBioFAB由位于Carl R. Woese基因组生物学研究所(IGB)的Biosystems设计研究主题构思和开发，该研究由Zhao领导。

在伊利诺伊州的高性能生物计算小组的支持下，Zhao，Si和他们的同事分析了他们最有希望的酵母菌株的修饰基因组。他们发现了基因的组合，这些基因的改变活动促成了理想的特征其中一些基因的功能以前是未知的，证明了该技术产生新的生物学知识的能力。

“我认为这种方法与酵母中其他现有代谢工程策略的关键区别在于规模，”赵说。“目前的代谢工程策略都只关注一些基因，最多只有几十个基因......它非常直观。有了这个，我们可以探索所有的基因，我们可以识别出许多无法直观的目标。”

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