微生物所創建全染色體編輯的高產丁醇細胞工廠

利用代謝工程與合成生物學技術，創建高效生產天然或非天然化學品的微生物細胞工廠，已展現出良好的應用前景和巨大的市場潛力。然而，實驗室構建的工程菌株大多基于質粒系統完成，通常需要抗生素和誘導劑來保證功能基因和途徑的穩定存在，這為大規模低成本生產帶來挑戰。在染色體水平上進行基因編輯與操作，創建完全沒有質粒、基因表達無需誘導的高產工程菌株，對于化學品的生物制造具有重要意義。然而，由于染色體拷貝數少、目標靶點不清楚、基因表達水平低、基因操作相對困難等因素，見諸報道的全染色體編輯的高產工程菌株很少。 　　

針對這一挑戰，中國科學院微生物研究所研究人員以大宗有機溶劑和潛在生物燃料——正丁醇為目標產品，以大腸桿菌為底盤細胞，創建全染色體編輯的丁醇細胞工廠。該研究的基本策略是將細胞工廠構建分為在染色體上創建生物合成途徑與全染色體編輯優化兩個部分，通過交互循環操作，不斷強化丁醇途徑以及底盤細胞對丁醇途徑的支持能力，從而提高工程菌株的丁醇生產能力。經過以上策略獲得的丁醇高產菌株，在簡單批式發酵中可以產生 20g/ L 的丁醇，達到產丁醇大腸桿菌最高水平；對葡萄糖的得率達到理論**值的 83%，超越天然的產丁醇梭菌，顯示出全染色體編輯代謝工程的潛力。該菌株生產丁醇不需要添加任何抗生素和誘導劑，已在中科院天津工業生物技術研究所中試平臺完成了放大測試，效果良好，具有工業化生產應用的潛力。

該研究使用一系列基因組操作技術，包括同源重組、l 噬菌體 Red 重組技術、CRISPR/Cas9、Tn5 轉座子突變等，在大腸桿菌染色體水平上對 38 個基因進行編輯和操作，通過理性和非理性策略相結合，解決競爭碳流的副產物較多、丁醇生產能量和還原力不足、染色體基因表達強度弱等問題，最終獲得了具有工業應用潛力的高產丁醇細胞工廠，為創建全染色體編輯的化學品高產細胞工廠提供了范例。

研究工作得到國家自然科學基金及國家 863 計劃項目等資助，并已申請中國**，相關研究成果在線發表在 Metabolic Engineering 上。

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1096717617301672