干貨│基因編輯探秘系列之在合成生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

合成生物學(xué)在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括健康與醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)與食品、生物能源、環(huán)境保護(hù)等。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，合成生物學(xué)有望在未來(lái)為人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)更多創(chuàng)新和突破。

表1.合成生物學(xué)主要應(yīng)用場(chǎng)景

數(shù)據(jù)來(lái)源：專(zhuān)家訪談；B Capital分析；BCG分析

合成生物學(xué)的生產(chǎn)流程

隨著分子生物學(xué)的不斷進(jìn)步，基于生物學(xué)知識(shí)的理性設(shè)計(jì)策略已廣泛應(yīng)用于細(xì)胞生產(chǎn)領(lǐng)域。特別是“DBTL”（設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)）循環(huán)方法，通過(guò)基因合成、基因編輯和細(xì)胞培養(yǎng)等技術(shù)手段，像搭積木一樣去構(gòu)建代謝通路，成功構(gòu)建所需細(xì)胞，用于生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)品。

構(gòu)建的生產(chǎn)細(xì)胞經(jīng)過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)和分離純化即可得到理想的合成生物學(xué)產(chǎn)品。

圖1. 合成生物學(xué)生產(chǎn)流程圖（資料來(lái)源：華安證券研究所整理）

基因編輯在合成生物學(xué)中的應(yīng)用

微生物代謝產(chǎn)物豐富多樣，包括眾多天然產(chǎn)品。以絲狀真菌為例，它們能合成抗生素、色素、酶及激素等多種物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)和基礎(chǔ)生物學(xué)研究。目前，絲狀真菌生產(chǎn)的酶占工業(yè)酶市場(chǎng)約50%。然而，絲狀真菌遺傳背景復(fù)雜，某些次級(jí)代謝產(chǎn)物僅在特定環(huán)境下產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)條件下難以合成。CRISPR系統(tǒng)作為簡(jiǎn)便基因編輯工具，已用于多種絲狀真菌基因編輯，如敲除天然代謝途徑基因或在宿主細(xì)胞中表達(dá)異源基因，以?xún)?yōu)化天然產(chǎn)物合成、增強(qiáng)目標(biāo)產(chǎn)物表達(dá)、減少或消除毒性產(chǎn)物，推動(dòng)絲狀真菌開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

圖2. CRISPR技術(shù)在絲狀真菌次級(jí)代謝產(chǎn)物合成中的應(yīng)用[4]

黑麥麥角菌（Claviceps purpurea）所產(chǎn)麥角生物堿，能治療偏頭痛、高血壓，并在產(chǎn)婦分娩后助子宮收縮，減少出血。研究者們巧妙將CRISPR/Cas9 RNP復(fù)合物和供體DNA（donor DNA），一同導(dǎo)入黑麥麥角菌的原生質(zhì)體內(nèi)部，針對(duì)與尿苷生物合成、菌絲形態(tài)學(xué)以及麥角生物堿產(chǎn)量等緊密相關(guān)的三個(gè)靶基因進(jìn)行精準(zhǔn)敲除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這一基于體外預(yù)組裝的CRISPR RNP策略，能夠高效且精確地剔除麥角生物堿合成路徑中的關(guān)鍵基因，有助于闡明麥角生物堿的生物合成途徑，促進(jìn)對(duì)麥角菌的代謝工程改造，提高麥角生物堿合成效率。

圖3. 黑麥麥角菌CRISPR基因編輯流程[5]

合成生物學(xué)在微生物領(lǐng)域的應(yīng)用前景極為廣闊，尤其在滿(mǎn)足環(huán)境改善需求和推動(dòng)工業(yè)化生產(chǎn)方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，當(dāng)選用微生物作為生產(chǎn)平臺(tái)時(shí)，往往面臨需大量消耗糖類(lèi)資源（如葡萄糖）的挑戰(zhàn)。此外，微生物在異源表達(dá)源自植物的代謝途徑及調(diào)控酶（如細(xì)胞色素P450酶系）方面存在效率低下的問(wèn)題。相比之下，植物能夠直接利用大氣中的二氧化碳作為碳源，合成所需化合物。鑒于植物與宿主之間擁有相似的細(xì)胞器、輔酶及輔助因子，這為直接將特定代謝路徑轉(zhuǎn)移至宿主植物并應(yīng)用于生產(chǎn)提供了便利，且無(wú)需繁瑣的優(yōu)化過(guò)程。

隨著植物合成生物學(xué)的快速發(fā)展，我們現(xiàn)能夠通過(guò)精心設(shè)計(jì)與改造植物，以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的各種需求。例如，可以開(kāi)發(fā)多樣化的生物傳感器以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞活動(dòng)，通過(guò)精準(zhǔn)改造提升作物產(chǎn)量與營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，或是生產(chǎn)植物天然產(chǎn)物及蛋白質(zhì)。這些創(chuàng)新的工程應(yīng)用不僅彰顯了植物合成生物學(xué)的成熟度，更為其未來(lái)的蓬勃發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖4. 植物合成生物學(xué)技術(shù)路線和應(yīng)用[7]

產(chǎn)品推薦

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