《DNA组装技术加速微生物改造》

  • 来源专题:生物科技领域知识集成服务
  • 编译者: 陈方
  • 发布时间:2020-04-08
  • 2019年7月23日Nature Communication报道,新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟(SMART)中心和新加坡国立大学的研究人员开发出一种新技术,使用标准化和可重复使用的部件,与最流行的DNA组装方法结合,更快、更廉价、更准确地构建近乎无疤痕的质粒结构。该技术极大节省了微生物改造时间,加快研究进程。
    目前改造微生物的技术既昂贵又耗时。研究人员必须从供应商处订购定制材料,且需要一段时间才能到达。而经常只使用1%的订购材料,造成浪费。由于每种材料都是定制的,研究人员每次必须重新订购,进一步延误时间并增加生产成本。这项研究的目的就是创造一种能够以更低的成本、更快的速度设计微生物的技术。
    这种新的鸟嘌呤/胸腺嘧啶(GT)DNA组装技术使基因工程师能够重复利用遗传物质。它提供了一种简单方法将生物部分定义为标准DNA组件。以往的标准化材料的准确性是50%,GT技术能够达到接近90%的准确性。除了构建近乎无疤痕的质粒结构,该技术的组装效率更高,最多可以将7个部分拼接到一个DNA上,而其他类似的方法只能拼接2个部分。
    研究者表示,这项技术适用于所有基因工程领域。除了商业化计划,研究人员还计划建立一个电子商务平台,可以快速创建和分发这些遗传材料给世界各地的研究人员。这将成为世界上第一个可重复使用的基因工程材料的平台。

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    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:xxw
    • 发布时间:2019-07-22
    •  DNA组装与DNA合成技术并称为合成生物学的两大基础使能技术。在合成生物学和生物工程领域中,“设计-构建-验证-学习(Design-Build-Test-Learn,DBTL)”的循环工程,精细的遗传元件无缝拼接以及重复DNA序列(如CRISPR和TALEN结合序列)串联分别需要迭代、无痕和序列重复的DNA组装技术。目前酶切连接的组装方法被广泛的应用于迭代组装,其中BioBrick组装法则是最早发展起来的DNA标准化组装技术,已成为国际基因工程机器大赛iGEM的组装标准。然而,BioBrick及其类似的组装方法在DNA连接处形成6–21 bp的疤痕序列,影响DNA完整性和mRNA正确折叠,且不适用于序列严格依赖的遗传元件的精确组装。   中国科学院微生物所病原室温廷益研究组建立了基于IIP和IIS型限制性内切酶(Restriction Endonuclease,RE)的DNA组装方法(命名为PS-Brick)。与在两端加入RE识别序列的现有DNA组装技术不同,本方法仅在PS-Brick供体DNA的一端巧妙设计了毗邻的IIP和IIS型RE识别序列,并且保留了另外一端的PCR产物特性,解决了目前基于RE的DNA组装方法普遍存在“疤痕”序列问题。该技术使用IIP型RE切割供体DNA产生一个粘性末端,同时保留PCR产物的另一个平末端或加A粘性末端;使用IIP和IIS型RE同时切割载体,IIP型RE产生粘性末端,IIS型RE产生平末端或单碱基粘性末端,双酶切后IIS型RE的识别序列脱离载体。由相同IIP型RE切割的供体和载体的粘性末端进行连接,组装后的载体重新产生与初始载体相同的毗邻IIP/IIS型RE识别序列对,作为下一轮PS-Brick组装的入口,从而实现迭代组装。供体DNA的平末端或加A粘性末端与IIS型RE切割的载体平末端或单碱基粘性末端进行连接,形成无“疤痕”序列的连接“焊点“,从而实现无痕组装。从供体DNA制备到组装产物转化感受态细胞并涂布平板,一轮PS-Brick组装可在一个工作日内完成。PS-Brick方法的组装效率达到104–105 CFUs/μg DNA,组装正确率约为90%,满足常规分子克隆和建库的需求。   本研究进一步应用PS-Brick方法开展了苏氨酸和正丙醇代谢工程的研究。应用PS-Brick迭代组装的特性,开展了多轮 DBTL循环的代谢工程,逐步解除了关键酶ThrA的反馈抑制、消除了代谢瓶颈、增强了外排转运途径以及阻断了降解途径,构建了高效的苏氨酸和正丙醇工程菌。除了迭代组装的优点,PS-Brick无痕组装实现了ThrA饱和突变以及调控翻译起始的双顺反子元件的精确拼接;PS-Brick重复序列组装实现了3个含有相同启动子和sgRNA的CRISPR基因组编辑序列的串联整合。   本研究建立了简单高效的PS-Brick组装方法,可同时实现迭代、无痕和序列重复的DNA组装。现有的DNA组装技术难以同时实现这三种组装性能,因此PS-Brick为合成生物学和代谢工程提供了一种有价值的使能技术。该研究已于近日发表于Biotechnology for Biofuels,微生物所刘树文博士和博士生肖海涵为该文的共同第一作者,温廷益研究员为通讯作者。该研究得到中国科学院战略性先导专项A(鸿鹄专项,XDA17010503)、国家自然科学基金(31800073)和中国科学院青促会(2018117)等项目的资助。
  • 《欲望的微生物学:微生物的世界观-合生菌》

    • 来源专题:人类遗传资源和特殊生物资源流失
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2019-12-17
    • 在2001年出版的《植物学的欲望:植物的世界观》一书中,作者迈克尔•波伦挑战了传统的以人类为中心的世界观,并鼓励读者从植物的角度来看待生命。是人类还是植物在发号施令?也许我们不是为了生存而控制植物,而是植物为了生存而控制我们。普兰强调了几种植物是如何满足人类的基本需求的。纵观历史,我们一直在有选择地培育不同的作物,以获得某些特性,并将它们传播到世界各地,似乎是为了我们的利益。这些农作物包括苹果(用于制造甜味)、郁金香(用于制造美感)、大麻(用于麻醉)等等。 同样,微生物也在与人类共同进化,在数百万年的时间里形成了一种共生关系。事实上,每个人都被数万亿的微生物所占据。我们吃的食物喂养了生活在我们肠道内的有益微生物,作为回报,它们战胜了病原微生物,产生了调节我们免疫系统的代谢物。此外,数千年来,微生物一直在帮助人类进行一种最古老的食品加工方法——发酵,即微生物将食物从一种形式转化为另一种形式。在20世纪后期,我们开始通过工业发酵——类似于酿造啤酒的过程——来改造微生物来生产药物,如胰岛素和其他成分。从那时起,我们就利用这项技术在农业、能源、食品和医疗保健行业进行大量应用。 今天,我们正在加速与这些可爱的小生物的合作。我们正在设计和发展它们,喂养和种植它们,保护和传播它们到世界各地。问题是,我们做这些工作是为了我们的利益还是为了他们的利益?也许发号施令的不是人类或植物,而是微生物。 改造和进化微生物 随着基因组测序和云计算等技术的成本在过去几年里呈指数级下降,科学家们一直在加大对微生物的研究,围绕微生物的功能及其与其他有机体的相互作用出现了一些新发现。工业界正利用这项研究进行各种商业应用,例如利用微生物作为小型工厂来生产不含动物的蛋白质、健康的农作物和药物。作为这一运动的一部分,三家初创公司——enEvolv (Cultivian portfolio company)、银杏生物工程公司(Ginkgo Bioworks)和Zymergen——总共筹集了超过15亿美元的风险资本,为其中的一些应用程序设计和进化微生物。利用新一代DNA测序和机器学习等工具,这些革新者极大地增加了有用微生物的数量和多样性,并且与以前的技术相比,大大减少了为我们的利益而将基于生物的产品商业化所需的时间和成本。 喂养和培养微生物 科技风险投资家马克•安德森(Marc Andreessen)在2011年发表的文章《软件正在吞噬世界》(Software is Eating the World)中,展示了软件公司是如何接管世界上一些最大的行业的。如今,随着微生物发酵成为蛋白质、药物和其他产品的关键生产过程,微生物似乎正在吞噬这个世界(有时确实如此)。 为了设计这些过程中的微生物,我们利用硅模型和计算机代码(0和1)来修改微生物的遗传代码(A、C、T和G),从而设计出某些能滋养我们的菌株,在某种程度上,还能设计出其他能产生滋养它们的糖的菌株。根据一些估计,到2024年,益生菌(滋养我们的活微生物)和益生元(滋养它们的糖)市场预计将分别达到770亿美元和70亿美元。由于预期需求将不断增长,近年来微生物群落领域的风险投资出现了爆炸性增长。 几家初创公司正在利用微生物及其衍生产品进行商业应用。这些用例有助于证明存在于人类和微生物之间的共生关系。我们设计和进化微生物,然后喂养和培养它们;作为回报,他们生产的产品使我们受益。我们与微生物的关系也开启了新的价值主张,减少了我们对自然世界的依赖,比如需要收获动物来获取食物、药品和其他产品。例如,Geltor (Cultivian portfolio公司)是通过发酵生产无动物蛋白领域的新兴领导者。该公司最初的重点是胶原蛋白,历史上只能从动物皮肤、骨骼和结缔组织中提取。Geltor最近宣布了与GELITA的重大合作,将在2020年推出世界上第一个无动物胶原蛋白。 保护和传播微生物 就像Pollan在他2001年的书中所强调的各种各样的植物一样,人类一直在世界各地保护和传播微生物,表面上是为了满足我们的需要。最近,消费者对减少或消除食品供应链中的抗生素和杀虫剂的偏好开始改变农业。其结果是,对生物制品需求的增加和对生物制品的采用正在保护我们作物、牲畜和肠道中的有益微生物。事实上,像Eligo生物科学公司,叶形科学和一般益生菌工程微生物选择性地破坏致病微生物,同时保持有益微生物完整代替广谱抗生素消灭有益和致病微生物,有点像“我们会让你活着如果你做同样的为我们“交换条件。 此外,我们一直在世界各地传播有益微生物。当某些微生物在发达国家证明对人类有用时,盖茨基金会正在投资并与风险投资支持的初创公司合作,例如AgBiome(用于作物健康)和evolution BioSystems(用于婴儿营养),以便在发展中国家部署这些微生物产品。