领军人物合成生物学获突破 细菌里淘金

　　

生物通报道，合成生物学之所以被誉为第四次科技浪潮中的弄潮儿，在于它可将impossible变成every thing is possible，合成生物学的最高境界是灵活设计和改造生命，重塑生命体。近年来，能源危机不断升级，将合成生物学应用到能源领域中的想法也顺势而生，用细菌造石油成为可能，最新的Nature杂志上科学家们成功应用改造后的大肠杆菌制造生物燃料，文章Microbial production of fatty-acid-derived fuels and chemicals from plant biomass。

 

合成生物学主要有两方面的应用，一是设计和构建新的生物零件、组件和系统；二是对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造。从生命最基本的要素开始，一步步构建人工生命系统是合成生物学的核心。

 

本篇研究中，来自美国联合能源研究所，合成生物工程研究中心，QB3研究所生物工程系，加州大学化学工程系，LS9.Inc，Lawrence 国家实验室的科学家们选择了第二种方式对原有的生命体进行改造。

 

文章通讯作者是合成生物学领军人物之一Jay Keasling，加州大学教授，同时也是美国能源部三大生物能源研究中心之一联合生物能源研究所主席。，Jay Keasling曾成功地改造大肠杆菌将其变成生成抗疟疾药物的工厂（具体介绍详见文末）。

 

在这次新的研究中，Jay Keasling及其同事通过基因工程方法对大肠杆菌进行改造，让它将单糖生成更复杂的生物燃料（可直接应用的生物燃料）——脂肪酯（fatty esters）、脂肪醇（fatty alcohol）和蜡（waxes）。他们进而又让大肠杆菌来分泌半纤维素酶，它是来自植物的生物质的一个主要成分，可以将纤维素转化为生物燃料。

（生物通 小茜）

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合成生物学的经典案例

有关抗疟药物青蒿素微生物工业化合成的研究工作是合成生物学研究的典范之作。

 

2002  年世界合成生物学领军人物之一Jay Keasling教授，利用合成生物学技术，开始对微生物进行工程化操作，使得该微生物可以进行合成青蒿素所必须的化学反应，从而显著降低生产成本。

 

2003  年，实验取得初步成功。通过将来自酵母和来自青蒿的基因转入大肠杆菌，绕过大肠杆菌的一般代谢途径并启动酵母甲羟戊酸途径，研究人员可以诱导大肠杆菌合成青蒿素的前体分子amorphadiene。虽然起初的合成效率很低，但通过基因重组和其他手段，最终大肠杆菌合成amorphadiene  能力提高百万倍。

 

2004  年，  Keasling  获得比尔梅琳达•盖茨基金会（Bill  and  Melinda  Gates  Foundation）4260  万美元的资助，以进一步开发这种青蒿素微生物合成技术。

 

2006  年，Keasling  等宣布，通过合成生物学技术对一株酵母菌进行遗传工程改造，使得后者可以产生高水平的青蒿素酸（artemisinic  acid）——青蒿素的一种更加直接的前体。对酵母菌的遗传改造经过三个步骤：首先，研究小组在酵母中构建与大肠杆菌中同样的代谢通路，随后将大肠杆菌和青蒿的若干基因导入酵母DNA  中，导入的基因与酵母自身基因组相互作用产生amorphadiene。最后，将从青蒿中克隆的酶P450  基因在产amorphadiene  的酵母菌株中进行表达，从而将amorphadiene  转化为青蒿素。

2008  年，Keasling  等与世界知名医药企业赛诺菲-安万特（Sanofi-aventis）集团建立新的合作关系，共同致力于大规模、低成本青蒿素生产工艺的开发。Keasling  表示，用来进行青蒿素生产的生物合成技术，同样可以用来进行下一代生物柴油的开发。

生物通推荐原文检索

Microbial production of fatty-acid-derived fuels and chemicals from plant biomass

Eric J. Steen1,2,3,8, Yisheng Kang1,4,8, Gregory Bokinsky1,4, Zhihao Hu6, Andreas Schirmer6, Amy McClure6, Stephen B. del Cardayre6 & Jay D. Keasling1,2,3,4,5,7

 

Joint BioEnergy Institute,

Synthetic Biology Engineering Research Center, 5885 Hollis Avenue, Emeryville, California 94608, USA

Departmient of Bioengineering,

QB3 Institute,

Department of Chemical Engineering, University of California, Berkeley, California 94720, USA

LS9, Inc., 100 Kimball Way, South San Francisco, California 94080, USA

Physical Biosciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA

These authors contributed equally to this work.

Correspondence to: Stephen B. del Cardayre6Jay D. Keasling1,2,3,4,5,7 Correspondence and requests for materials should be addressed to J.D.K. (Email: [e-mail]) or S.B.d.C. (Email: [e-mail]).

 

【Abstract】Increasing energy costs and environmental concerns have emphasized the need to produce sustainable renewable fuels and chemicals1. Major efforts to this end are focused on the microbial production of high-energy fuels by cost-effective ‘consolidated bioprocesses’2. Fatty acids are composed of long alkyl chains and represent nature’s ‘petroleum’, being a primary metabolite used by cells for both chemical and energy storage functions. These energy-rich molecules are today isolated from plant and animal oils for a diverse set of products ranging from fuels to oleochemicals. A more scalable, controllable and economic route to this important class of chemicals would be through the microbial conversion of renewable feedstocks, such as biomass-derived carbohydrates. Here we demonstrate the engineering of Escherichia coli to produce structurally tailored fatty esters (biodiesel), fatty alcohols, and waxes directly from simple sugars. Furthermore, we show engineering of the biodiesel-producing cells to express hemicellulases, a step towards producing these compounds directly from hemicellulose, a major component of plant-derived biomass.