合成生物学：产化学物质和生物燃料的微生物的设计工具

《应用微生物学》课程作业姓名：学号：班级：合成生物学：产化学物质和生物燃料的微生物的设计工具Synthetic biology Tools to design microbes for theproduction of chemicals and fuels文献来源：Biotechnology Advances 31 (2013) 811–817ABSTRACTThe engineering of biological systems to achieve specific purposes requires design tools that function in a predictable and quantitative manner. Recent advances in the field of synthetic biology, particularly in the programmable control of gene expression at multiple levels of regulation, have increased our ability to efficiently design and optimize biological systems to perform designed tasks. Furthermore, implementation of these designs in biological systems highlights the potential of using these tools to build microbial cell factories for the production of chemicals and fuels. In this paper, we review current developments in the design of tools for controlling gene expression at transcriptional, post-transcriptional and post-translational levels, and consider potential applications of these tools.Keywords: Synthetic biology Expression control Metabolic engineering Biofuel Biochemical Microbial cell factory摘要为实现一些特定目的，微生物系统工程需要一些设计工具，这些工具以某种可预测的、定量的方式起作用。

在合成生物学的领域，特别是多水平调控基因表达的可编程控制方面的进展，这使我们设计、优化完成设计任务的生物系统的能力增强了。

此外，这些设计在生物系统中的实现，凸显了利用这些工具建造用于生产化学物质和生物燃料的微生物细胞工厂的潜力。

在这篇论文中，我们回顾了和在转录、转录后、翻译后三个水平调控基因表达的设计工具相关的内容的最新进展，并且这些工具的潜在应用价值。

关键词：合成生物学表达调控代谢工程生物燃料生物化学微生物细胞工厂1、介绍由于天然化石资源的有限性和当前的环境问题，生物合成化学物质和生物燃料作为一种可选择的工业化合成途径，正在稳固地引起人们的兴趣(Ganesh et al., 2012; Jang et al., 2012; Zhang et al., 2012b)。

为解决这些问题，合成生物学在重新设计现有的生物系统和合成新的生物系统方面发展了一系列突破性的技术，这些进展表明了人们对此的巨大兴趣(Lynch and Gill, 2012; Seo et al., 2012; Xing etal., 2012)。

建立一个合成生物学系统需要在一个可测、定量的可控环境下用有调控能力的设计工具优化一系列组合，这些组合包括基因片段、组件和系统(Yadav et al., 2012; Zhu et al., 2012)。

系统内的不平衡可能会导致设计好的基因程序表达失败，所以这个领域最新的研究已经把重心放到了可以被用来设计优化生物系统的新工具的进展。

由于组成一个代谢途径或基因程序的多种酶的平衡表达是实现被设计的生物学系统性能优化的首要必须条件，，在一个定量、可预测的可控环境中控制基因表达成为一条重要的设计原则。

基因表达能够在转录、转录后、翻译后三个水平被调控。

在这篇论文中，我们总结回顾了设计工具的最新研究进展，这些设计工具可以可预测地、定量地控制基因的表达。

同时我们估测了这些设计工具用于生产化学物品和生物燃料的能力，并且讨论了这个领域的前景。

2、在转录水平控制基因表达的设计工具基因表达的转录调控已经被广泛地应用于代谢工程和合成生物学方面的应用，它用来优化像谢途径和基因电路之类的生物学系统。

一个这样的方法是在多种原核生物中创造具有不同转录效率的合成启动子文库(Alper et al., 2005; Braatsch et al., 2008; Miksch et al., 2005; Rud et al., 2006) and eukaryotes (Alper et al., 2006; Qin et al., 2011)。

传统的方法是修饰自身启动子的两个共同的六聚体DNA序列（-10和-35框）之间间隙序列，或者利用出错的聚合酶链式反应（PCR）来在整个启动子序列中引入突变(Fig. 1A)。

最近，几个研究已经在酵母中利用了合成的杂合启动子的方法，这些方法组合了核心启动子和增强子元件，这增强子元件是上游激活序列的组合或者串联重复序列(UAS 元件) (Blazeck et al., 2011, 2012)。

通过这些启动子构架的扩展，这个方法可以进一步增强启动子强度、控制调控机制、最终建立一个跨越广泛的、动态的调控水平的文库。

由于启动子的强度取决于共同框的上下游的侧翼序列和启动子拷贝数(Davis et al., 2011)，无论在染色体还是质粒中，在用一个预先设计好的启动子序列作为一个标准化模块时，为保证预期的转录效率可以实现，对方法进行标准化是必要的(Kelly et al., 2009)。

最近的一项研究表明了通过控制转录效率来精确平衡代谢量在目标分子最优产量中的重要性(Fig. 1B) (Ajikumar et al., 2010)。

利用多元分子的系统包容不同的启动子强度和拷贝数，Ajikumar et al. (2010)成功地优化了用于生产紫杉醇前体紫杉烯的类异戊二烯途径。

在这项应用中，紫杉烯生物合成途径被分为由不同强度和拷贝数的分离的启动子调控的两个模块。

采用了这一生物合成途径，他们的测定浓度巨大地提高到了普通菌株的15000倍。

这项研究采用了少量的启动子和基于质粒的表达系统。

当然，类型多样的合成启动子数量的增加和染色体中复制基因的简单可用的技术将会促进一个大的方案空间的研究，而且有助于长期遗传稳定菌株的发展(Blazeck and Alper, 2012; Tyo et al., 2009)。

诱导像化学物质、燃料忍耐性之类的复杂的细胞表型需要重新编程基因网络和新陈代谢，这是因为这些菌株大体上是由多基因调控的。

一个完成这项任务的策略是全局转录机械工程（gTME），这个方法最近已经在原核生物(e.g., Escherichia coli, Alper and Stephanopoulos, 2007; Lactobacillus plantarum, Klein-Marcuschamer and Stephanopoulos, 2008)和真核生物(Saccharomyces cerevisiae, Alper et al., 2006; Liu et al., 2010) (Fig. 1C)中实现了。

理论上，这个方法创建了突变转录子文库，这些转录子依次影响多基因的表达，并且引导基因网络的重新编程。

通过恰当的表型筛选，可诱导期望表型的重编程网络能够被识别和特征化。

当然，很难从头开始就预测突变转录子序列和功能的关系。

已知的转录子DNA结合位点的最新进展将会促进对结构功能关系的认识，所以这使我们能够为菌株质量的提升而进行理性、可预测的重编程基因网络(Barrett et al., 2011; Cho et al., 2009; Kim et al., 2012)。

Zhang et al. (2012a,b)的最近研究中报道了动态传感调控系统（DSRS）的进展，DSRS 用了一种天然产生的转录因子和人工合成的杂合启动子的组合(Fig. 1D) (Zhang et al., 2012a)。

这种DSRS能识别脂肪酸产生途径中的一种关键代谢物，并且能动态地调控包括乙烷基酯（FAEE）产生在内的基因表达。

FAEE生产菌的稳定性被充分地提高了，所以和亲本均值比较FAEE产量在浓度（1.5g/L）和产量（最大理论值的28%）上都有提高(Steen et al., 2010)。

考虑到在这项研究中发现的巨大的天然配合基应答转录因子库和设计人造转录因子的可能性(Ansari and Mapp, 2002; Mandell and Kortemme, 2009)，这个系统有潜力应用到代谢途径中的其他各种分子，这些分子包括氨基酸、核酸、糖类、脂类和许多二级代谢物。

作为蛋白质转录因子的补充，人工合成的RNAs也能实现动态地激活或抑制DNA分子转录的功能。

通过酵母三杂交系统，Buskirk et al. (2003)说明了改造RNA分子作为RNA转录因子是有可能的，最后选定产物的活化比显示是控制的Gal4系统的53倍(Fig. 1E) (Buskirk et al., 2003)。

他们也合成了一种人工RNA激活子，这种激活子可以通过优化一种小分子结合适配子和改造RNA之间连接区域动态地控制基因表达(Buskirk et al., 2004)。

另一项最近的研究报道说，金黄色葡萄球菌的质粒pT181中自然反义RNA和转录弱化子对的正交变体可以被设计来同时调控多基因的转录(Fig. 1E) (Lucks et al., 2011)。

尽管这些方法仍然停留在概念证明阶段，考虑到串联转录弱化子能够表达逻辑以及RNA介导的转录信号转导是可能的，它们可以被应用在用操纵子控制多基因表达和建立不同RNA数学模型的分层规则的下一代生物合成学应用(Benenson, 2009; Nandagopal and Elowitz, 2011)。