Breeding of Escherichia coli based on colour
- 作者
- Stefan Schuster
- 单位
- Department of Bioinformatics, Max Delbrück Center for Molecular Medicine, Berlin-Buch, Germany
- 杂志
- Trends in Biotechnology（2000）
- DOI
- 10.1016/S0167-7799(00)01502-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过分子育种（体外进化）方法改造大肠杆菌，使其产生多种类胡萝卜素，并创造自然界不存在的代谢途径。
研究策略
采用DNA shuffling（体外同源重组）对来自两种欧文氏菌（Erwinia uredovora 和 Erwinia herbicola）的类胡萝卜素合成基因进行随机重组、筛选和组合，以产生不同的类胡萝卜素产物。
核心内容
该研究采用分子育种策略，对来自两种欧文氏菌的类胡萝卜素合成基因（包括香叶基香叶基二磷酸合酶、八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱氢酶及番茄红素环化酶等）进行DNA shuffling体外同源重组，随后在大肠杆菌中随机组合与筛选，以改造类胡萝卜素代谢途径。通过颜色表型筛选，研究者获得了从亮黄橙色到紫红色的一系列变异克隆。除常规线性类胡萝卜素外，重组途径还合成了β,β-胡萝卜素、β-玉米胡萝卜素、β,ψ-胡萝卜素以及圆酵母素。其中圆酵母素的产生尤为关键，因为该物质在天然产生菌中经由不同的生物合成途径生成，此处却在大肠杆菌中通过重组途径实现，标志着自然界不存在的新代谢途径被成功构建。这一结果证实了分子育种能够有效重组代谢网络，通过快速迭代筛选产生全新产物谱，为代谢工程提供了一种不依赖理性设计的强大策略，拓展了合成生物学创造非天然代谢途径的可能性。
创新点
首次通过分子育种创造出自然界不存在的新代谢途径，例如在大肠杆菌中合成圆酵母素（torulene），而该物质在天然产生菌中经由不同途径合成。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成途径 | geranylgeranyl-diphosphate synthase | 香叶基香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 基因来源于Erwinia uredovora |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成途径 | phytoene synthase | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 基因来源于Erwinia uredovora |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成途径 | phytoene desaturase | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 基因来源于Erwinia uredovora 或 Erwinia herbicola，并作为DNA shuffling的底物 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成途径 | lycopene cyclase | 番茄红素环化酶 | 催化 | 基因来源于两种欧文氏菌，经同源重组产生不同环化产物 |
关键发现
- 通过DNA shuffling获得多种颜色变异的大肠杆菌克隆，颜色从亮黄橙色到紫红色
- 除线性类胡萝卜素外，还合成了β,β-胡萝卜素、β-玉米胡萝卜素、β,ψ-胡萝卜素和圆酵母素，其中圆酵母素是突破性的非天然产物。
研究结论
分子育种是一种有效的代谢工程策略，能够通过基因重组和筛选快速产生具有新产物谱的代谢途径，展示了创造非天然代谢途径的潜力。