傳統(tǒng)微生物制造面臨目標(biāo)產(chǎn)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(biāo)途徑，影響最終產(chǎn)品得率。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院吳俊俊副教授研究團隊結(jié)合合成生物學(xué)與仿生生物學(xué)，解碼、模擬并重構(gòu)建微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)，同時結(jié)合序列特異性的內(nèi)切核糖核酸酶，使得細胞資源最大程度的流向目標(biāo)產(chǎn)品。2020年11月2日，研究成果在學(xué)術(shù)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(chǎn)業(yè)，在食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等重要領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)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(yīng)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(shù)，大力支持傳統(tǒng)生物制造產(chǎn)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(jù)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(dǎo)劑，誘導(dǎo)劑會在微生物細胞生產(chǎn)得率最高時誘導(dǎo)生產(chǎn)開始。誘導(dǎo)劑讓微生物‘未成年’時不生產(chǎn)，降低了微生物的代謝壓力，但大多數(shù)誘導(dǎo)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(biāo)產(chǎn)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(xué)、仿生生物學(xué)等多種學(xué)科知識，解碼、模擬并重構(gòu)建微生物群體感應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)的原理，團隊首先解析了費舍爾弧菌的微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)中決定系統(tǒng)滲漏和正反饋控制的調(diào)控區(qū)域，并且首次在工業(yè)微生物大腸桿菌中構(gòu)建出糞腸球菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)，其基因表達調(diào)控能力為目前已知群體感應(yīng)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(yīng)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(yīng)系統(tǒng)在運行的時候相互之間不會產(chǎn)生干擾現(xiàn)象。吳俊俊講道，構(gòu)建的基于微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)的自發(fā)誘導(dǎo)表達系統(tǒng)，將有望替代目前傳統(tǒng)的人工誘導(dǎo)系統(tǒng)，進一步降低微生物制造成本。

 

　　團隊同時結(jié)合序列特異性的內(nèi)切核糖核酸酶，在細胞全局范圍內(nèi)自發(fā)降解非目標(biāo)合成途徑，保留目標(biāo)合成途徑，使得細胞資源最大程度的流向目標(biāo)產(chǎn)品。通過兩套群體感應(yīng)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(diào)控產(chǎn)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(chǎn)為案例，改造后的微生物生產(chǎn)強度提高了30倍，同時顯著降低了發(fā)酵副產(chǎn)物的濃度，團隊構(gòu)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(yīng)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(fù)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(xué)與仿生生物學(xué)相結(jié)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(xué)科整合，通過整合納米技術(shù)、超分子化學(xué)、計算信息學(xué)等技術(shù)，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(xiàn)‘綠水青山，才是金山銀山！’”

 

　　據(jù)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(gòu)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(xiàn)變廢為油、輔因子偶聯(lián)改造策略、低能耗微氧系統(tǒng)的構(gòu)建等。研究工作受到國家自然科學(xué)基金，江蘇省自然科學(xué)基金，江蘇省農(nóng)業(yè)自主創(chuàng)新基金，中國博士后科學(xué)基金，江蘇省博士后基金，中央高?；緲I(yè)務(wù)費等基金資助。

　　全自動式細胞資源分配器運行示意圖