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) - 標準化遺傳組件的創(chuàng)建，可定制基因組編輯工具的實施以及分子生物學(xué)實驗室任務(wù)的大規(guī)模自動化 - 將如何增強我們使用酵母的能力。他們的新方法的結(jié)果證明了它有可能產(chǎn)生有價值的新型酵母菌株用于工業(yè)用途，以及揭示對酵母基因組的更復(fù)雜的理解。

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

該團隊專注于酵母，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，具有分隔的細胞結(jié)構(gòu)和控制其基因活性的復(fù)雜機制的生物，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)都在酵母中進行了研究，”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)的理解有限。雖然酵母中有大約6,000個基因，但人們可能通過它們的功能知道不到1000個;所有其他人，人們都不知道。”

該小組通過創(chuàng)建所謂的cDNA文庫邁出了實現(xiàn)酵母新工程策略目標的第一步：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片段使得每個基因在一種形式中在酵母細胞內(nèi)過度活躍，而在第二種形式中，活性降低。

Zhao及其同事檢查了CRISPR-Cas系統(tǒng)的能力，這是一組從細菌免疫系統(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)在細菌基因組中的特征)。該系統(tǒng)允許趙在酵母基因組中進行精確切割，其中來自其文庫的標準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行中修改的細胞的1%，”Si說。“我們在這方面做了一點努力，當CRISPR出來時，它起作用了。我們把它變成了70%[細胞修飾]，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，研究人員能夠隨機生成許多不同的酵母菌株，每種菌株都有自己獨特的一組修飾。對這些菌株進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是一種機器人系統(tǒng)，以自動方式執(zhí)行上述大部分實驗室工作，包括選擇有前途的酵母菌株。使用iBioFAB大大加快了工作速度，可以同時創(chuàng)建和測試許多獨特的菌株。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)知識的能力。

“我認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，最多只有幾十個基因......它非常直觀。有了這個，我們可以探索所有基因，我們可以識別出許多無法直觀的目標。”