近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院智能所工業(yè)微生物課題組王鵬團(tuán)隊(duì)在食品級(jí)工業(yè)菌株—谷氨酸棒桿菌的合成生物學(xué)工具開發(fā)中取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)以谷氨酸棒桿菌為底盤細(xì)胞創(chuàng)新性提出了一種“5′端翻譯化”策略，有效克服了基因表達(dá)中的序列上下文依賴性，并在此基礎(chǔ)上迭代升級(jí)，成功構(gòu)建了高效的無前導(dǎo)（leaderless）多順反子翻譯放大器。相關(guān)成果已在線發(fā)表于一區(qū)TOP期刊 Journal of Agricultural and Food Chemistry上。

在工業(yè)菌株的基因表達(dá)中，基因工具往往會(huì)受到周圍DNA序列“環(huán)境”（即上下文依賴性）的干擾，導(dǎo)致其不兼容、不穩(wěn)定，這成為制約合成生物學(xué)工具通用性的關(guān)鍵難題。在傳統(tǒng)的基因表達(dá)盒設(shè)計(jì)中，5′非翻譯區(qū)（5′UTR）僅作為被動(dòng)的結(jié)構(gòu)元件，極易產(chǎn)生功能冗余并引發(fā)不可預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)干擾。

針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)以谷氨酸棒桿菌為底盤細(xì)胞，創(chuàng)新性地提出了一種“5′端翻譯化”策略。該策略將原本閑置的非編碼基因區(qū)域5′UTR，重新工程化為可主動(dòng)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)的活躍元件—前順反子。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)通過迭代串聯(lián)多個(gè)高翻譯活性的前順反子，成功構(gòu)建出多順反子功能模塊PCDs—即一種高效、通用的leaderless翻譯放大器。該模塊展現(xiàn)出卓越的“即插即用”特性，能夠克服序列上下文依賴性，實(shí)現(xiàn)功能元件的獨(dú)立與穩(wěn)健。

作為強(qiáng)效的翻譯放大器，PCDs在極大程度上將目標(biāo)蛋白的表達(dá)量與mRNA豐度實(shí)現(xiàn)了深度解耦，且在整個(gè)表達(dá)過程中不額外增加底盤細(xì)胞的代謝負(fù)荷。在實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證中，團(tuán)隊(duì)以重組疫苗抗原（OmlA）和天然食品級(jí)色素（indigoidine）的生產(chǎn)為模型。利用該系統(tǒng)，兩者的產(chǎn)量分別被顯著提升了4.07倍和7.33倍，充分展示了該工具在復(fù)雜代謝途徑優(yōu)化和高附加值化學(xué)品生產(chǎn)中的巨大應(yīng)用潛力。

智能所孫曼曼特任副研究員、葉斌碩士研究生為論文的共同第一作者，智能所王鵬研究員與香港科技大學(xué)高雄博士后為共同通訊作者，本研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、長(zhǎng)三角科技創(chuàng)新共同體聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目以及安徽省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.6c05362

圖 leaderless多順反子表達(dá)設(shè)計(jì)（PCDs）