Nature Chemical Biology 合成生物學與宏功能基因組學的交叉新時代!

生物極客2018-07-20 12:31:58

大自然存在著多樣的生物活性途徑和來源,以及很多合成生物學的新型構建模塊。來自丹麥的科學家們在Nature Chemical Biology發表綜述,描述了新興的研究領域,對宏基因組進行功能性探究。這種方法大大擴展了功能性基因的發現和模塊構建。


目前新生物發現的潛力正在急劇增加


使用遺傳回路的挖掘已經發現了新的生物活性,例如酰胺酶,NF-κB調節劑,萘降解酶,纖維素酶,脂肪酶和轉運蛋白。


使用這些遺傳回路作為模板,通過設計生物傳感器進行改進,例如體外進化的核糖開關和計算重新設計的轉錄因子。因此,在快速擴展的生物傳感器和簡化的自動化遺傳電路設計過程的支持下,可以構建更多種類的複雜選擇電路,從而對藥物發現和工業生物技術產生影響。


合成生物學為宏基因組學提供更大機遇


合成生物學發展蓬勃,複雜的生物電路被設計用於控制特定的細胞程序以響應具有合理可預測性的特定輸入。大量研究的重點是設計合適的輸入傳感器,定義為可以感知輸入並在下游傳遞這些信息的組件,例如轉錄因子,核糖開關和基於蛋白質的傳感器。輸入信號可以在選擇條件下傳播並耦合到諸如熒光或甚至活性的輸出。


功能宏基因組學的新時代



功能宏基因組學的早期實施基於經典分子生物學,並且依賴於具有表型讀數的篩選,例如暈圈形成和菌落顏色或形態的變化,以便檢測特定活性。已經採用這種篩選來發現溶血性,脂肪分解和抗微生物活。的表型篩選仍然有用,但該方法通常僅限於少數生物活性,很少包括合成代謝活性。


還可以使用互補測定法鑑定生物活性,所述互補測定法通過敲除一種或多種必需宿主基因來規避篩選,然後使用功能性宏基因組文庫來挽救該缺陷。一個例子是生物素 - 營養缺陷型大腸桿菌菌株ΔbiouvrB,它用於鑑定參與生物素合成的環境宏基因組中的基因。使用類似的方法,鑑定了大腸桿菌polA突變體中的新DNA聚合酶。最近,大腸桿菌中的磷酸泛酰巰基乙胺轉移酶敲除使得能夠從宏基因組文庫中富集非核糖體肽合成酶(NRPS)和聚酮化合物合酶(PKS)基因。



在設計用於挖掘宏基因組文庫的遺傳回路時,重要的是要考慮宏基因組表達文庫的基本限制。實際上,的功能性表達依賴於(i)宏基因組DNA在異源宿主中的表達,(ii)通過載體啟動子或異源調節元件的識別轉錄宏基因組DNA,以及(iii)有效翻譯mRNA和可能的翻譯後修飾功能蛋白。


宏基因組DNA通常在質粒,粘粒或質粒上進行,但選擇取決於研究中的生物活性。例如,抗生素抗性基因通常包含在單個開放閱讀框(ORF)內。因此,抗生素抗性基因可以用宏基因組文庫插入片段大小1-3kb捕獲,並且易於維持在質粒骨架上。然而,在功能上選擇次級代謝物簇時發現的DNA只能在質粒上很少擴增,因為這些簇的大小範圍可以從5到150kb。捕獲和維持較大片段的合適方法是使用粘粒或fosmids,其允許構建25-40-kb插入片段。因此,在進行功能性合成宏基因組選擇以確定用於發現所需活性的最合適載體時,這是關鍵。


在功能宏基因組學中使用合成生物學的結果令人鼓舞,並且這種方法已經導致了幾種新的生物活性的發現。隨著擴展生物傳感器的新方法和提高遺傳電路的穩健性和可預測性的新方法,該領域預計將大幅增長。特別地,該領域將受益於計算設計的應用以擴展可由生物傳感器檢測的基板光譜。此外,遺傳電路設計的自動化將有助於構建可用於藥物發現和工業生物技術的更多種複雜選擇電路。最後,從構建應用於生物防護領域的強大的故障安全電路中汲取的經驗教訓將增加用於挖掘宏基因組學的選擇系統的能力。結合這些發展預計將加速功能宏基因組學的速度和輸出。




                          


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