合成生物学“基于非转基因的方法

合成生物学的发展已成为一个关键工具用于生产生物产品和燃料的微生物(1]。这个快速发展的领域是创建可再生版本的产品曾经来自化石燃料以及全新的产品。合成生物学使工程和实施非生化过程中使用的微生物。微生物可以改造使化学品和化学中间体通过引入基因创造新颖的生物合成途径。微生物也可以适应使用各种碳提要源如被美联储废弃物沼气(甲烷)甚至烟道流(二氧化碳)作为碳源生产产品。一个甚至可以换出整个细菌基因组,取而代之的是最小的一个,一直在体外人工合成2]。大多数这些方法涉及建立转基因生物(GMO),虽然在某些情况下自然过程的基因调整增加输出,例如氧化菌用于制造可降解塑料聚合物,PHA [3]。有机体为GMO的标签是不平凡的,这样的产品可能会被某些国家禁止或允许其使用之前需要长时间的审批流程。最近开发了合成生物学的方法设计,采用磷酸模拟在文化修改所有细胞的核酸抗核酸酶的骨干。这个修改不继承和只取决于持续的模拟。因此它是一个非转基因方法,可用于稳定体内信使rna和可以预见的改变在细胞中蛋白质的分布。

工作在各种生物如细菌、酵母、金鱼,以及人体血液和组织培养细胞表明thio-phosphate容易吸收和利用磷酸模拟,即使在ortho-phosphate[的存在4]。模拟合并,总信使rna在细胞的数量明显积累,这样新稳定mRNA了蛋白质合成机制导致之间的竞争信使rna在细胞内核糖体数量有限的(图1、2和3)。平均近三分之一的蛋白质在细胞影响根据二维聚丙烯酰胺凝胶电泳(4]。特别是,这些蛋白质来自mrna半衰期小于细胞平均增加的这些蛋白质来自mrna半衰期大于细胞平均水平。平均成倍增加时~ 6折褶皱减少平均~ 5倍。分泌的所有类型的蛋白质的影响,膜和胞质。全球蛋白质分布的变化的程度取决于使用的比例模拟正常磷酸盐在媒体、和比例应至少75%或更大的蛋白质分布的最大转变。在酵母和可能的其他真核生物,总蛋白质分泌增强,~ 2 - 4倍,即使在低比例的模拟正常磷酸。相比之下,总不是增强杆菌细菌分泌的蛋白质。

thio-phosphate的使用可以使一个操纵稳定性的信使rna在细胞并检查它对蛋白质合成的影响。一般来说,这些蛋白质表达不到.04%最初的蛋白质量在高等真核生物,细菌或.014%候选增强表达(4]。如果mRNA的稳定性是未知的,模拟可能是有用的在测试这间接是否可以增加蛋白质含量。外源基因等不同物种的植物基因表达的细菌或酵母也会适合使用增强的表达式。在这种物种分化,信使rna稳定因素大概不会是守恒的。此外,该方法可能是有用的在天然产物的生物工程(5]。这种反应可以限制酶能力和协调增加蛋白质参与了多个反应步骤的合成途径,包括利率限制酶,可能导致增加有机化学的合成或天然产品6]。代谢途径是紧密相联的,平行反应的酶含量的变化也可能影响bio-catalytic反应。调节蛋白质的全球分销能力在操纵这些过程可能很有用

thio-phosphate对细胞的影响是微妙而深远的。细胞通常是可行的拼接和增长等基本过程。增长可以略低于正常取决于使用的生物和生长介质。平衡模拟为核苷酸池的细胞可能是快,虽然采取了全面修改核酸聚合物。信使rna,模拟需要呈现一段时间相当于3 - 4半衰期大幅修改mRNA。而细菌和酵母半衰期都很短,范围从2.5平均-20分钟,哺乳动物的mRNA的平均半衰期更长时间在10小时,需要2个或更多天的潜伏期。为了防止任何毒性,必须是高纯度使用的模拟。蛋白质磷酸化的模拟可能被纳入修改(7]。一些证据表明模拟可能干扰硒蛋白形成用半胱氨酸对硒代半胱氨酸8]。纳入磷脂还没有检查。在细菌、修改的核苷酸链可能会触发防御反应作为T1R1看到增加了150倍,1型限制性内切酶大肠杆菌和可能的细菌素,YbdN提升77倍在芽孢杆菌(4]。

使用thio-phosphate似乎增强或引发代谢过程在细胞培养与增强的神经特定蛋白的表达在人类HEK 293细胞总蛋白分泌的增加在酵母。感兴趣的是偶尔的蛋白质的折叠蛋白质表达水平变化大于两个标准差的平均值。这些候选蛋白质的基因已经成为激活其次通过信使rna稳定作为监管回应的一部分。在这样的一个途径大肠杆菌涉及OmpC孔蛋白膜蛋白质,这种蛋白质增加20倍时,其监管机构OmpR增强3.5折(4]。有趣的是,在HEK 293细胞角蛋白两个蛋白质高40多倍(4]。这就引发了另一个问题:其他蛋白升高的细胞扮演了一个角色在这个观察到的增加。

一个有趣的和未开发的区域模拟对细胞代谢的影响通过创建结构改变核酸。模拟结果在核酸的稳定,减少周转这些分子可能会影响相互联系的途径。例如,组氨酸在细胞的水平可能会增加如果它的前体,phosphoribosyl焦磷酸(PRPP),增加是由于少PRPP被抽走使核酸(9]。同样,三磷酸鸟苷水平的增加会促进细胞中烟酸的合成。

整体使用thio-phosphate细胞是一种强大的工具来稳定体内核酸和操纵蛋白表达在可预测的方法。其使用结果non-mutable生长细胞的基因表达的变化,然而,观察到的效果需要模拟的继续存在。这种新方法导致了阿森纳的合成生物学方法可用。

引用

1. Chubukov V,等。合成与系统生物学微生物通用化学品的生产。npj系统生物学应用。2016;2。
2. 和记黄埔CA, et al。最小的细菌基因组的设计和合成。科学。2016;351:1414。
3. Myunga J,等。甲烷或methanol-oxidation依赖合成聚(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate)预留II型菌。学生物化学过程。2016;51:561 - 567。
4. 如今。保存一个磷酸盐分子模拟的作用机制。摩尔细胞。2016;415:111 - 117。
5. Berhardt P和O康纳SE。酶工程在天然产物生物合成的机会。CurrOpinChem杂志。2009;13:35-42。
6. 冬季G和krom乔。Fluxomics——连接组学分析和表型。环境Microbiol。2013; 15:1901 - 1916。
7. 太阳IY和Allfrey VG。体内thiophosphorylation染色体蛋白质:恢复和海拉组蛋白和衍生品此处则分析。生物化学杂志。1982;257:1347 - 1353。
8. 徐x m, et al。硒代半胱氨酸的生物合成与半胱氨酸和硒代半胱氨酸的替代途径。硒:分子生物学和人类健康。2012。
9. 巴巴RK, et al .组氨酸生物合成,其监管和生物技术的应用Corynebacteriumglutamicum。微生物生物技术。2013;7:5-25。