微生物遗传技术有望推动燃料、材料和化学品的生物制造
研究作者（从左到右）Andrew K. Lau、Thomas Eng 和 Deepanwita Banerjee 站在一个 2 升的生物反应器前，该生物反应器中含有恶臭假单胞菌细胞，这些细胞会产生靛蓝，这会导致液体呈深蓝色。这张照片于 2019 年 7 月在 JBEI 拍摄。图片来源：伯克利实验室
一种改变微生物代谢过程的新方法将加速创新生物燃料、材料和化学品的生产。
劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 的研究人员在使用计算模型和基于 CRISPR 的基因编辑修改微生物以有效生产感兴趣的化合物方面取得了前所未有的成功。
他们的方法可以显着加快新生物制造工艺的研发阶段，并更快地将可持续燃料和塑料替代品等尖端生物基产品上架。
该过程使用计算机算法——基于真实世界的实验数据——来确定“宿主”微生物中的哪些基因可以被关闭，以将有机体的能量重新导向产生大量目标化合物，而不是其正常的代谢产物汤.
目前，该领域的许多科学家仍然依靠临时的、反复试验的实验来确定哪些基因修饰会导致改进。此外，用于生产非天然化合物的生物制造过程中的大多数微生物——即制造它的基因已插入宿主基因组——只能在微生物达到一定的生长期后才能产生大量的目标化合物，从而导致缓慢在培养微生物时浪费能量的过程。
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一个 2 升的生物反应器，其中含有恶臭假单胞菌培养物，该培养物一直在进行代谢重新布线以生产靛蓝。学分：伯克利实验室
该团队简化的代谢重新布线过程，创造了“产品/底物配对”，使得微生物的整个新陈代谢始终与制造化合物有关。
为了测试产品/底物的配对，该团队对一种很有前途的新兴宿主进行了实验——一种名为恶臭假单胞菌的土壤微生物——它被设计成携带基因来制造靛蓝素，一种蓝色色素。科学家评估了 63 种潜在的重新布线策略，并使用系统评估理想宿主特征的可能结果的工作流程，确定其中只有一种在实验上是现实的。然后，根据他们的计算预测，他们进行了 CRISPR 干扰 (CRISPRi) 来阻止 14 个基因的表达。
联合生物能源研究所 (JBEI) 的博士后研究员、共同主要作者 Deepanwita Banerjee 说：“我们很高兴看到我们的菌株在我们同时靶向如此大量的基因后产生了极高产量的靛蓝碱。”由伯克利实验室。“目前代谢重组的标准是一次费力地针对一个基因，而不是同时针对多个基因，”她说，并指出在本文之前只有一项代谢工程研究，其中作者针对六个基因击倒。“我们通过使用强大的基于 CRISPRi 的方法，大大提高了同时修改的上限。这现在开辟了考虑计算优化方法的领域，即使它们需要大量的基因修改，
共同主要作者、JBEI 研究科学家 Thomas Eng 补充说：“通过产品/底物配对，我们相信我们可以通过我们合理设计的工艺显着减少开发商业规模生物制造工艺所需的时间。想想在开发青蒿素（一种抗疟药）或 1-3,丁二醇（一种用于制造塑料的化学物质）上花费的研究年数和时间，令人望而生畏——从实验室笔记本到试验工厂大约需要 5 到 10 年。大幅缩短研发时间是我们使明天的生物经济成为现实所需要的，”他说。
伯克利实验室正在研究的目标化合物的例子包括异戊烯醇，一种很有前途的生物燃料；阻燃材料成分；以及工业中使用的石油衍生起始分子的替代品，例如尼龙前体。许多其他团体使用生物制造来生产先进的药物。
首席研究员 Aindrila Mukhopadhyay 解释说，该团队的成功来自其多学科方法。“这项工作不仅需要严格的计算建模和最先进的遗传学，我们还依靠我们在先进生物燃料和生物产品工艺开发单元 (ABPDU) 的合作者来证明我们的工艺可以在更高的生产规模，”JBEI 生物燃料和生物产品部门副总裁兼主机工程组总监 Mukhopadhyay 说。“我们还与能源部 (DOE) 联合基因组研究所合作来描述我们的菌株。毫不奇怪，我们预计未来会有许多这样的合作来检验我们获得的改进的经济价值，
参考文献：Deepanwita Banerjee、Thomas Eng、Andrew K. Lau、Yusuke Sasaki、Brenda Wang、Yan Chen、Jan-Philip Prahl、Vasanth 的“基因组规模的代谢重组提高了大规模非天然产物靛蓝的滴度率和产量” R. Singan、Robin A. Herbert、Yuzhong Liu、Deepti Tanjore、Christopher J. Petzold、Jay D. Keasling 和 Aindrila Mukhopadhyay，2020 年 10 月 23 日，Nature Communications。
DOI: 10.1038/s41467-020-19171-4
这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。美国能源部联合基因组研究所是位于伯克利实验室的美国能源部科学办公室用户设施。