人類最古老的工業(yè)合作伙伴之一是酵母，一種熟悉的微生物，使早期的社會能夠釀造啤酒和發(fā)酵面包，并使現(xiàn)代人能夠合成生物燃料并進行關鍵的生物醫(yī)學研究。酵母仍然是一種重要的生物制劑，但我們探索和影響其基因組活性的能力卻落后了。在Nature Communications的一篇新文章中，伊利諾伊大學的研究人員描述了他們成功整合幾種尖端技術 - 標準化遺傳組件的創(chuàng)建，可定制基因組編輯工具的實施以及分子生物學實驗室任務的大規(guī)模自動化 - 將如何增強我們與酵母一起工作的能力。他們的新方法的結(jié)果證明了它有可能產(chǎn)生有價值的新型工業(yè)用酵母菌株，以及揭示對酵母基因組的更復雜的理解。

“這項工作的目標實際上是為酵母開發(fā)基因組規(guī)模的工程工具......傳統(tǒng)的代謝工程專注于少數(shù)幾個基因，而現(xiàn)有的幾個基因組規(guī)模的工程工具只適用于細菌，而不適用于酵母等真核生物“領導這項研究的化學與生物分子工程主席Steven L. Miller說。“第二項創(chuàng)新是合成生物學概念的使用，部件的模塊化以及與機器人系統(tǒng)的集成，因此我們可以在高吞吐量下實現(xiàn)這一目標。”

該團隊專注于酵母，部分原因在于其重要的現(xiàn)代應用; 酵母用于將生物質(zhì)原料的糖轉(zhuǎn)化為生物燃料，如乙醇和工業(yè)化學品，如乳酸，或分解有機污染物。由于酵母和其他真菌(如人類)是真核生物，具有分隔的細胞結(jié)構(gòu)和控制其基因活性的復雜機制的生物，酵母基因組功能的研究也是生物醫(yī)學研究的關鍵組成部分。

“在基礎科學方面，許多基因真核生物學都是在酵母中研究的，”卡爾·R·沃斯基因組生物學研究所研究員Tong Si說。“人們對這些復雜系統(tǒng)的了解有限。盡管酵母中大約有6,000個基因，但人們可能通過它們的功能知道不到1000個;所有其他人，人們都不知道。”

該小組通過創(chuàng)建所謂的cDNA文庫邁出了實現(xiàn)酵母新工程策略目標的第一步：來自面包酵母(Saccharomyces cerevisiae)基因組的90%以上基因的集合，按照習俗排列DNA片段使得每個基因在一種形式中在酵母細胞內(nèi)過度活躍，而在第二種形式中，活性降低。Zhao及其同事研究了CRISPR-Cas系統(tǒng)的能力，這是一組從細菌免疫系統(tǒng)中借用的分子(CRISPR代表聚集的規(guī)則間隔短回文重復序列，描述了該系統(tǒng)在細菌基因組中的特征)。該系統(tǒng)允許趙在酵母基因組中進行精確切割，其中來自其文庫的標準化遺傳部分可以自我插入。

“我們第一次這樣做，在2013年，沒有CRISPR ......我們能得到的最好的是一次運行中修飾的細胞的1%，”Si說。“我們在這方面做了一點努力，當CRISPR出現(xiàn)時，它起作用了。我們把它變成了70%[細胞修飾]，所以這非常重要。”

通過基因活性調(diào)節(jié)部件以高效率整合到基因組中，研究人員能夠隨機生成許多不同的酵母菌株，每種菌株都有自己獨特的修飾。對這些菌株進行人工選擇過程以鑒定具有所需性狀的那些菌株，例如暴露于生物燃料生產(chǎn)過程中使用的試劑的存活能力。

伊利諾斯州高級生物制造生物制造廠(iBioFAB)極大地幫助了這一選擇過程，iBioFAB是一種機器人系統(tǒng)，以自動方式執(zhí)行上述大部分實驗室工作，包括選擇有前途的酵母菌株。使用iBioFAB大大加快了工作速度，可以同時創(chuàng)建和測試許多獨特的菌株。iBioFAB由位于Carl R. Woese基因組生物學研究所(IGB)的Biosystems設計研究主題構(gòu)思和開發(fā)，該研究由Zhao領導。

在伊利諾伊州的高性能生物計算小組的支持下，Zhao，Si和他們的同事分析了他們最有希望的酵母菌株的修飾基因組。他們發(fā)現(xiàn)了基因的組合，這些基因的改變活動促成了理想的特征 其中一些基因的功能以前是未知的，證明了該技術產(chǎn)生新的生物學知識的能力。

“我認為這種方法與酵母中其他現(xiàn)有代謝工程策略的關鍵區(qū)別在于規(guī)模，”趙說。“目前的代謝工程策略都只關注一些基因，最多只有幾十個基因......它非常直觀。有了這個，我們可以探索所有的基因，我們可以識別出許多無法直觀的目標。”