Nature Chemical Biology 合成生物学与宏功能基因组学的交叉新时代!

生物极客2018-07-20 12:31:58

大自然存在着多样的生物活性途径和来源,以及很多合成生物学的新型构建模块。来自丹麦的科学家们在Nature Chemical Biology发表综述,描述了新兴的研究领域,对宏基因组进行功能性探究。这种方法大大扩展了功能性基因的发现和模块构建。


目前新生物发现的潜力正在急剧增加


使用遗传回路的挖掘已经发现了新的生物活性,例如酰胺酶,NF-κB调节剂,萘降解酶,纤维素酶,脂肪酶和转运蛋白。


使用这些遗传回路作为模板,通过设计生物传感器进行改进,例如体外进化的核糖开关和计算重新设计的转录因子。因此,在快速扩展的生物传感器和简化的自动化遗传电路设计过程的支持下,可以构建更多种类的复杂选择电路,从而对药物发现和工业生物技术产生影响。


合成生物学为宏基因组学提供更大机遇


合成生物学发展蓬勃,复杂的生物电路被设计用于控制特定的细胞程序以响应具有合理可预测性的特定输入。大量研究的重点是设计合适的输入传感器,定义为可以感知输入并在下游传递这些信息的组件,例如转录因子,核糖开关和基于蛋白质的传感器。输入信号可以在选择条件下传播并耦合到诸如荧光或甚至活性的输出。


功能宏基因组学的新时代



功能宏基因组学的早期实施基于经典分子生物学,并且依赖于具有表型读数的筛选,例如晕圈形成和菌落颜色或形态的变化,以便检测特定活性。已经采用这种筛选来发现溶血性,脂肪分解和抗微生物活。的表型筛选仍然有用,但该方法通常仅限于少数生物活性,很少包括合成代谢活性。


还可以使用互补测定法鉴定生物活性,所述互补测定法通过敲除一种或多种必需宿主基因来规避筛选,然后使用功能性宏基因组文库来挽救该缺陷。一个例子是生物素 - 营养缺陷型大肠杆菌菌株ΔbiouvrB,它用于鉴定参与生物素合成的环境宏基因组中的基因。使用类似的方法,鉴定了大肠杆菌polA突变体中的新DNA聚合酶。最近,大肠杆菌中的磷酸泛酰巯基乙胺转移酶敲除使得能够从宏基因组文库中富集非核糖体肽合成酶(NRPS)和聚酮化合物合酶(PKS)基因。



在设计用于挖掘宏基因组文库的遗传回路时,重要的是要考虑宏基因组表达文库的基本限制。实际上,的功能性表达依赖于(i)宏基因组DNA在异源宿主中的表达,(ii)通过载体启动子或异源调节元件的识别转录宏基因组DNA,以及(iii)有效翻译mRNA和可能的翻译后修饰功能蛋白。


宏基因组DNA通常在质粒,粘粒或质粒上进行,但选择取决于研究中的生物活性。例如,抗生素抗性基因通常包含在单个开放阅读框(ORF)内。因此,抗生素抗性基因可以用宏基因组文库插入片段大小1-3kb捕获,并且易于维持在质粒骨架上。然而,在功能上选择次级代谢物簇时发现的DNA只能在质粒上很少扩增,因为这些簇的大小范围可以从5到150kb。捕获和维持较大片段的合适方法是使用粘粒或fosmids,其允许构建25-40-kb插入片段。因此,在进行功能性合成宏基因组选择以确定用于发现所需活性的最合适载体时,这是关键。


在功能宏基因组学中使用合成生物学的结果令人鼓舞,并且这种方法已经导致了几种新的生物活性的发现。随着扩展生物传感器的新方法和提高遗传电路的稳健性和可预测性的新方法,该领域预计将大幅增长。特别地,该领域将受益于计算设计的应用以扩展可由生物传感器检测的基板光谱。此外,遗传电路设计的自动化将有助于构建可用于药物发现和工业生物技术的更多种复杂选择电路。最后,从构建应用于生物防护领域的强大的故障安全电路中汲取的经验教训将增加用于挖掘宏基因组学的选择系统的能力。结合这些发展预计将加速功能宏基因组学的速度和输出。




                          


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