發明基因工程工具，科學家打開了微生物的生化寶庫_風聞
Science_北京-不惧过往，不畏将来！2019-10-16 17:41
編譯／雷鑫宇 審稿／alone 責編／張夢
近日，由美國能源部聯合基因組研究所（JGI）領導的微生物學家和基因組學家們發明了一種叫做CRAGE的基因工程工具，不僅使研究微生物的次級代謝產物變得容易，還填補了微生物如何與環境互作和進化方面的重大知識空白。
將微生物內部的分子機制想象成技術的藝術插圖。
次級代謝產物由微生物產生，用於調節其內外部信息傳遞、自我防衞和化學戰爭，同時，這些化合物也是數百種農業、工業和醫療產品的基礎。
近日，由美國能源部聯合基因組研究所（JGI）領導的微生物學家和基因組學家們發明了一種叫做CRAGE的基因工程工具，不僅使研究微生物的次級代謝產物變得容易，還填補了微生物如何與環境互作和進化方面的重大知識空白。
相關論文發表在《自然·微生物學》雜誌上。
次級代謝產物之所以得此命名，是因為它們的活動和功能對微生物的生存並不是必需的，但可能會幫助微生物在面對環境壓力時獲得優勢。
產生次級代謝物的能力是由一組被稱為生物合成基因簇（BGCs）的基因編碼的，很容易通過水平基因轉移在不同的微生物之間來回傳遞。這種快速而廣泛的基因共享，允許微生物通過快速獲得或失去某些特徵來適應變化的條件，而且由於頻繁的基因交換會帶來突變，BGCs的水平基因轉移也驅動了多種次級代謝產物的發展。
不幸的是，用傳統的方法很難研究次級代謝產物，因為當微生物被帶到實驗室這樣一個幾乎沒有困難或競爭的人工環境時，它們通常不會費力去製造這些化合物。而CRAGE幫助科學家們克服了這一障礙。
“這些代謝物就像微生物與生物羣落相互作用的一種語言，當它們被孤立時，就會變得沉默。”JGI的科學家、該研究的共同作者Yasuo Yoshikuni説，“我們目前缺乏技術來刺激微生物激活它們的BGCs併合成完整的產物——這是一個涉及許多步驟的細胞過程。”
CRAGE非常高效，可以將來自一個生物體的BGCs同時轉移到許多不同的潛在生產宿主中，以識別在實驗室條件下能夠自然產生次級代謝產物的微生物菌株。
“因此，CRAGE使我們比以前更容易獲得這些化合物。”來自德國法蘭克福歌德大學的Helge Bode説，“目前，它已經幫助我們首次生產並描述了一種感興趣的化合物。”
更廣泛地説，通過提供一種將微生物的分子機制從一個物種轉移到另一個物種的技術，CRAGE將使科學家能夠超越理論和預測，最終觀察歸屬於“生物暗物質”範疇的化合物實際上是如何工作的。
“這是一個里程碑式的進展，因為通過CRAGE，我們可以研究不同的生物如何以不同的方式表達一個基因網絡，從而研究水平轉移的能力如何進化。”研究報告的合著者David Hoyt説。
Hoyt和他的同事Kerem Bingol還有Nancy Washton在Yoshikuni的小組測試CRAGE時幫助鑑定了一種未知的次級代謝產物。
該研究的第一作者之一、JGI的科學工程助理Jing Ke補充説：“除了幫助研究次級代謝物，CRAGE還可以用於設計微生物來生產蛋白質、RNA和其他分子，它具有很廣泛的應用。”
到目前為止，該團隊已經成功地將BGCs轉移到30種不同的菌株中，並期望它能在許多其他菌株中發揮作用，接下來可能需要針對某些物種進行調整。進一步的研究和產品開發目前正在進行中，但目前這項技術在通過試點項目的JGI研究團隊中是可用的。
與此同時，2013年開發出前體基因重組工具RAGE的Yoshikuni和他的同事已經開始將CRAGE應用到他們自己的項目中，比如探索用於生物製造的非常規細菌宿主。
Yoshikuni説：“除了一些經過充分研究的微生物，也就是所謂的大腸桿菌模型，我們不知道一個菌株是否具備完成BGC激活所有步驟所需的技能。希望有了CRAGE，我們可以開始改變這種模式——我們可以研究更多的野生物種，發現它們更適合生產產品和藥物的特性。”
編譯：花花 審稿：alone 責編：張夢
期刊來源：《自然·微生物學》
期刊編號：2058-5276
原文鏈接：
https://phys.org/news/2019-10-biochemical-treasure-chest-microbes.html
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