胞质外功能开关在细菌物种间的可转移性

研究研究了基于sigma因子的蛋白细菌底盘调节开关的胞质外功能模块化克隆兼容工具箱。

　　

胞浆外功能因子(Extracytoplasmic function sigma factors, ECFs)已成功用于构建可预测的人工基因回路大肠杆菌，但它们在同一门内物种之间的可转移性尚不清楚。现在，来自德国和澳大利亚的一组研究人员最近对这种细菌进行了研究Sinorhizobium meliloti确定了具有跨物种功能的ECF开关，构建了遗传电路，为通用合成生物学应用提供了工具箱。

在合成生物学领域，创造具有可预测结果的人工基因回路既是一项挑战，也是一种必要。胞浆外功能因子(Extracytoplasmic function sigma factor, ECFs)因其在细菌中启动转录的关键作用而受到广泛关注，尤其是在逆境条件下。广泛的研究已经对不同组的ECFs进行了分类，展示了它们构建具有延迟基因激活的多步骤遗传回路的潜力。虽然这些回路在大肠杆菌等被充分研究的细菌中显示出成功，但ECFs在同一门内跨物种转移的程度仍不确定。

为了解决这一差距，德国合成微生物学中心(SYNMIKRO)和生物学系(Philipps-Universit?t)的Anke Becker教授和她的团队研究了ECF开关从大肠杆菌到α- Sinorhizobium meliloti的转移。他们的研究发表在2024年2月21日的《BioDesign Research》第六卷上。

该团队在S. meliloti细菌中测试了20种不同的ECF开关，这些开关先前已在大肠杆菌中证明了其功能。开关根据其来源命名，并具有系统标识符。他们将这些开关引入了两种类型的S. meliloti菌株——一种是正常的野生型，另一种是没有自己的ECF开关的改良菌株。

他们发现大肠杆菌的ECF开关可以成功地转移到S. meliloti，成功率超过50%。重要的是，这些开关在两个宿主物种中都保留了它们的功能和正交模式。研究发现，转录率、翻译、蛋白质稳定性和宿主特异性等因素会影响S. meliloti中ECF开关的功能。“我们很高兴看到ECF开关在物种间具有如此高的可转移性和功能性。这表明，在一种细菌物种中开发的合成生物学方法可以潜在地应用于广泛的生物体，扩大了基因工程的范围，”Becker教授热情地解释道。该研究强调了在工程合成生物系统时理解遗传因素和宿主环境的重要性。通过综合研究这些因素，研究人员可以提高合成生物学应用的可预测性和可靠性。

该研究的另一个关键发现是在S. meliloti和E. coli中观察到广泛的ECF开关的系统发育接受范围。与某些细菌对异源ECF开关的接受范围较窄不同，S. meliloti和大肠杆菌对来自不同细菌类别和物种的开关表现出显著的耐受性。这表明这些物种可以作为合成生物学应用的通用宿主，潜在地促进新的生物技术解决方案的发展。

除了实验验证外，研究人员还使用计算预测来预先选择合适的ECF/启动子对在细菌宿主之间转移。这些预测与实验数据相结合，为设计具有最小串扰和最佳性能的遗传电路提供了有价值的见解。通过利用计算预测和实验验证，研究人员可以加速设计-构建-测试周期，并简化复杂遗传电路的开发。

本研究还引入了一套单拷贝质粒载体，用于模组化S. meliloti的遗传回路。这些载体与分子克隆(MoClo) DNA组装方法兼容，为这种细菌物种的基因工程提供了一个标准化的平台。MoClo是合成生物学中用于精确、高效地将DNA片段组装成更大结构的模块化克隆方法。“我们的mocloo兼容质粒载体为研究人员提供了构建S. meliloti遗传回路的多功能工具包。这些载体简化了组装过程，促进了遗传电路的迭代优化，最终加快了合成生物学研究的步伐，”Becker教授说。

总的来说，该研究代表了合成生物学领域的重要一步，证明了遗传开关在细菌物种之间的可转移性，并为复杂遗传电路的设计和工程提供了有价值的见解。随着进一步的研究和开发，这些发现有可能彻底改变各个行业，并解决生物技术等领域的紧迫挑战。

A MoClo-Compatible Toolbox of ECF Sigma Factor-Based Regulatory Switches for Proteobacterial ChassisA MoClo-Compatible Toolbox of ECF Sigma Factor-Based Regulatory Switches for Proteobacterial Chassis