人類最古老的工業(yè)合作伙伴之一是酵母，一種熟悉的微生物，使早期的社會(huì)能夠釀造啤酒和發(fā)酵面包，并使現(xiàn)代人能夠合成生物燃料并進(jìn)行關(guān)鍵的生物醫(yī)學(xué)研究。酵母仍然是一種重要的生物制劑，但我們探索和影響其基因組活性的能力卻落后了。在Nature Communications的一篇新文章中，伊利諾伊大學(xué)的研究人員描述了他們成功整合幾種尖端技術(shù) - 標(biāo)準(zhǔn)化遺傳組件的創(chuàng)建，可定制基因組編輯工具的實(shí)施以及分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的大規(guī)模自動(dòng)化 - 將如何增強(qiáng)我們與酵母一起工作的能力。他們的新方法的結(jié)果證明了它有可能產(chǎn)生有價(jià)值的新型工業(yè)用酵母菌株，以及揭示對酵母基因組的更復(fù)雜的理解。

“這項(xiàng)工作的目標(biāo)實(shí)際上是為酵母開發(fā)基因組規(guī)模的工程工具......傳統(tǒng)的代謝工程專注于少數(shù)幾個(gè)基因，而現(xiàn)有的幾個(gè)基因組規(guī)模的工程工具只適用于細(xì)菌，而不適用于酵母等真核生物“領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的化學(xué)與生物分子工程主席Steven L. Miller說。“第二項(xiàng)創(chuàng)新是合成生物學(xué)概念的使用，部件的模塊化以及與機(jī)器人系統(tǒng)的集成，因此我們可以在高吞吐量下實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”

該團(tuán)隊(duì)專注于酵母，部分原因在于其重要的現(xiàn)代應(yīng)用; 酵母用于將生物質(zhì)原料的糖轉(zhuǎn)化為生物燃料，如乙醇和工業(yè)化學(xué)品，如乳酸，或分解有機(jī)污染物。由于酵母和其他真菌(如人類)是真核生物，具有分隔的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和控制其基因活性的復(fù)雜機(jī)制的生物，酵母基因組功能的研究也是生物醫(yī)學(xué)研究的關(guān)鍵組成部分。

“在基礎(chǔ)科學(xué)方面，許多基因真核生物學(xué)都是在酵母中研究的，”卡爾·R·沃斯基因組生物學(xué)研究所研究員Tong Si說。“人們對這些復(fù)雜系統(tǒng)的了解有限。盡管酵母中大約有6,000個(gè)基因，但人們可能通過它們的功能知道不到1000個(gè);所有其他人，人們都不知道。”

該小組通過創(chuàng)建所謂的cDNA文庫邁出了實(shí)現(xiàn)酵母新工程策略目標(biāo)的第一步：來自面包酵母(Saccharomyces cerevisiae)基因組的90%以上基因的集合，按照習(xí)俗排列DNA片段使得每個(gè)基因在一種形式中在酵母細(xì)胞內(nèi)過度活躍，而在第二種形式中，活性降低。Zhao及其同事研究了CRISPR-Cas系統(tǒng)的能力，這是一組從細(xì)菌免疫系統(tǒng)中借用的分子(CRISPR代表聚集的規(guī)則間隔短回文重復(fù)序列，描述了該系統(tǒng)在細(xì)菌基因組中的特征)。該系統(tǒng)允許趙在酵母基因組中進(jìn)行精確切割，其中來自其文庫的標(biāo)準(zhǔn)化遺傳部分可以自我插入。

“我們第一次這樣做，在2013年，沒有CRISPR ......我們能得到的最好的是一次運(yùn)行中修飾的細(xì)胞的1%，”Si說。“我們在這方面做了一點(diǎn)努力，當(dāng)CRISPR出現(xiàn)時(shí)，它起作用了。我們把它變成了70%[細(xì)胞修飾]，所以這非常重要。”

通過基因活性調(diào)節(jié)部件以高效率整合到基因組中，研究人員能夠隨機(jī)生成許多不同的酵母菌株，每種菌株都有自己獨(dú)特的修飾。對這些菌株進(jìn)行人工選擇過程以鑒定具有所需性狀的那些菌株，例如暴露于生物燃料生產(chǎn)過程中使用的試劑的存活能力。

伊利諾斯州高級生物制造生物制造廠(iBioFAB)極大地幫助了這一選擇過程，iBioFAB是一種機(jī)器人系統(tǒng)，以自動(dòng)方式執(zhí)行上述大部分實(shí)驗(yàn)室工作，包括選擇有前途的酵母菌株。使用iBioFAB大大加快了工作速度，可以同時(shí)創(chuàng)建和測試許多獨(dú)特的菌株。iBioFAB由位于Carl R. Woese基因組生物學(xué)研究所(IGB)的Biosystems設(shè)計(jì)研究主題構(gòu)思和開發(fā)，該研究由Zhao領(lǐng)導(dǎo)。

在伊利諾伊州的高性能生物計(jì)算小組的支持下，Zhao，Si和他們的同事分析了他們最有希望的酵母菌株的修飾基因組。他們發(fā)現(xiàn)了基因的組合，這些基因的改變活動(dòng)促成了理想的特征 其中一些基因的功能以前是未知的，證明了該技術(shù)產(chǎn)生新的生物學(xué)知識(shí)的能力。

“我認(rèn)為這種方法與酵母中其他現(xiàn)有代謝工程策略的關(guān)鍵區(qū)別在于規(guī)模，”趙說。“目前的代謝工程策略都只關(guān)注一些基因，最多只有幾十個(gè)基因......它非常直觀。有了這個(gè)，我們可以探索所有的基因，我們可以識(shí)別出許多無法直觀的目標(biāo)。”