在細胞外思考功能基因組學(xué)

在過去二十年中，美國能源部(DOE)聯(lián)合基因組研究所(JGI)，勞倫斯伯克利國家實驗室的DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室，已從高通量基因組測序中心轉(zhuǎn)變?yōu)閲矣脩粼O(shè)施為世界各地的研究人員提供與DOE能源和環(huán)境挑戰(zhàn)任務(wù)相關(guān)項目的測序和計算分析能力。隨著測序技術(shù)和能力的進步，JGI已經(jīng)開發(fā)出諸如單細胞基因組學(xué)，合成生物學(xué)和代謝組學(xué)等功能，不僅可以生成DNA序列，還可以了解基因功能，適用于各種應(yīng)用。

“JGI的戰(zhàn)略方向是將基因組信息轉(zhuǎn)化為功能性理解，”Nigel Mouncey主任說。“今天，DNA測序的規(guī)模和成本已經(jīng)產(chǎn)生了前所未有的基因和基因組信息水平，其功能知之甚少。因此，迫切需要快速，大規(guī)模地分配有效的功能?；?，通路和基因組。“

由于需要細胞生長，復(fù)雜的調(diào)節(jié)機制，干擾或來自其他代謝途徑和細胞過程，基于細胞的測試以確定代謝功能是具有挑戰(zhàn)性的。通過JGI的新興技術(shù)機會計劃(ETOP)批準(zhǔn)的最新提案由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Hal Alper和西北大學(xué)的Michael Jewett領(lǐng)導(dǎo)。該項目在兩年內(nèi)從JGI獲得近50萬美元資金，旨在開發(fā)一個優(yōu)化的無細胞平臺，使研究人員能夠加速設(shè)計 - 構(gòu)建 - 測試 - 分析周期的“構(gòu)建”和“測試”部分在合成生物學(xué)。幾十年來，無細胞系統(tǒng)已成功用于個體蛋白質(zhì)表達，但最近的應(yīng)用主要集中在酶篩選，代謝途徑設(shè)計和原型分析以及免疫系統(tǒng)表征。

“我們正在努力開發(fā)的通用平臺是一種通路無關(guān)，從DNA設(shè)計到原型的無縫管道，”Alper說。“它既是發(fā)現(xiàn)和理解的工具，也是加速細胞工程的一種方式。”

ETOP于2013年推出，旨在將其他機構(gòu)開發(fā)的新技術(shù)引入JGI，使其可供用戶用于能源和環(huán)境應(yīng)用，并為JGI用戶目前正在進行的高通量測序和分析增加價值。

該提案中概述的無細胞系統(tǒng)方法首先從選擇的菌株中裂解預(yù)先優(yōu)化的細胞，然后使用來自這些菌株的裂解物來表達感興趣的基因和途徑，這些基因和途徑可以在不同比例的混合物中混合，以便于快速和快速表征新穎和改進的途徑。Alper指出，這是一項合作努力，他們的實驗室將在整個時間段內(nèi)多次交付技術(shù)開發(fā)以實現(xiàn)進步。

“數(shù)十年來，人們已經(jīng)使用無細胞框架來理解生物化學(xué)。最新的想法是將一種途徑視為可以用酶雞尾酒構(gòu)建的途徑，”Jewett說。“在我們的設(shè)計 - 構(gòu)建 - 測試周期中，該單元不是質(zhì)?；驑?gòu)建體，而是富含途徑酶的裂解物。您具有自由和靈活性;直接進入反應(yīng)條件，因為您沒有細胞壁，它對非模型生物有用。這可以加速設(shè)計循環(huán)，并且可以導(dǎo)致問題，而不是一個月內(nèi)射擊10,000次，我們可以在一周內(nèi)完成嗎?“

“這種ETOP將開發(fā)新的和可擴展的無細胞表達平臺，這些平臺針對特定的代謝關(guān)鍵節(jié)點進行了優(yōu)化，并將用于一系列生物合成基因和途徑，”Mouncey說。“這項技術(shù)與JGI的現(xiàn)有功能高度互補，并且一旦在內(nèi)部，將結(jié)合在新的綜合工作流程中，允許復(fù)雜的基因組挖掘到DNA合成到無細胞表達到高通量代謝組學(xué)到高性能計算到表征1000個基因的功能。與這個激動人心的領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者合作將為我們的用戶帶來極具影響力和價值的技術(shù)。“

Jewett補充說，兩年前甚至無法實現(xiàn)無細胞系統(tǒng)框架。他引用了DNA合成的進展，無細胞生物合成能力的改進以及基因組工程工具的融合，包括新的策略，例如啟用這一新平臺的多重CRISPR工具。

“我們希望吸引更廣泛社區(qū)的研究人員，他們可以在JGI中利用這些新工具，”他補充說。

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