将自动化和基础发现融入非传统微生物的设计-构建-测试-学习循环（上）

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本公众号跟踪智慧实验室的理论研究发展状况、产业发展动态、主要设备供应商产品研发动态、国内外智慧实验室建设成果现状等信息内容。本文由中科院上海生命科学信息中心与曼森生物合作供稿。本期推文编译了 Gurdo N 等发表在 Trends in Biotechnology 期刊上的综述《将自动化和基本发现融入非传统微生物的设计-构建-测试-学习循环》（Merging automation and fundamental discovery into the design-build-test-learn cycle of nontraditional microbes），该文作者提出了一种“以代谢为中心”的合成生物学设计-构建-测试-学习循环的方法，并得到多组学分析的支持。 因文章篇幅较长，将分为三期来讲述。感谢关注！

目录/CONTENT

01/要点

02/用于生物生产的传统和新兴微生物平台的调查

03/生物铸造厂利用模型微生物宿主推进生物生产

04/生物铸造厂的细胞工厂设计和测试自动化

05/通过自动化和扩展合成生物学工具箱，为基于非传统宿主的细胞工厂铺平道路

06/引入以代谢为中心的分析作为发现平台，指导 DBTL 循环中的工程工作

07/观点总结和未来方向08/未解决的问题

生物基工业的重大进展使多种化学品的生物生产具有成本效益，但成功的工业过程相对稀缺，并且仅限于使用少数主力微生物作为宿主。深入了解非传统微生物的生理学和代谢是释放其生物技术潜力的关键。生物铸造厂的诞生使构建和测试大量为生物生产量身定制的微生物菌株的能力成倍增加——作者认为其中的自动化工作流程可以适应获得非传统宿主的基本知识。在这里，作者提出了一种“以代谢为中心”的合成生物学设计-构建-测试-学习循环的方法，并得到多组学分析的支持。

01

要点

由于合成生物学工具集和基础知识有限，用于生物生产的非传统宿主仍未得到充分开发。多组学方法能够对微生物代谢进行系统级理解——将工程工作作为设计-构建-测试-学习 (DBTL：design–build–test–learn) 循环的基本要素来指导。生物铸造厂能够在创纪录的时间内生成和测试数百种微生物菌株——但对常见和非传统宿主代谢特征的探索并未完全纳入管道。自动化在合成生物学和代谢工程中发挥着核心作用，除了减少工作流程时间外，还可以用作指导工程工作的发现工具。DBTL 循环中以代谢为中心的观点有望加速细胞工厂组装工作流程，同时提供有关基本生物学问题的关键信息。

02

用于生物生产的传统和新兴微生物平台的调查

可持续化学生产在不断发展的生物基行业中占据了稳固的地位，以替代目前几乎完全来自化石资源的产品。生物底盘是使用代谢工程工具定制的，该工具产生多功能生物生产平台（即细胞工厂），用于合成广泛的大宗和精细化学品——支持更可持续、更绿色的社会。尽管对高价值（生物）产品的需求不断增长，继续以前所未有的速度加速细胞工厂的发展，但为生物生产创建强大的微生物平台是一项相对手工且耗时的工作。此外，难以合成的化合物——无论是由于其毒性还是因为它们是新的自然物质，没有可用于合成的天然生物催化剂，仍在等待大规模生产。

实现这一目的的工程细胞工厂需要一个多步骤的设计和执行策略，从生化网络的计算机模拟到与规模相关的生物反应器中所需代谢物的实际生物生产。整个过程所需的时间跨度取决于几个方面；首先，用于选定宿主基因组工程的遗传元件（即部分）的可用性和可及性；其次，评估包含实验室规模生物生产所需修改的初始原型；最后，优化不同的参数以增加滴度并最大化目标化合物的通量以及生物工艺放大。

在满足与工业规模生物生产兼容的关键性能参数 之前，此序列的迭代对于提高工程底盘的性能是必要的。革兰氏阴性细菌大肠杆菌和酵母酿酒酵母是常规用于构建细胞工厂的常规底盘。对其生理学和遗传学的深入了解，以及广泛的遗传工具的可用性，使这些微生物在争取最佳生物生产平台的竞赛中处于领先地位。许多例子展示了如何对大肠杆菌进行工程改造以产生大量化合物，例如生物燃料、大宗化学品、天然产物和聚羟基链烷酸酯。同样，酵母细胞工厂进一步扩展了可从可再生基质生产的目标化学品组合。工程酿酒酵母生产的多种生物基化学品（例如有机酸和脂肪酸、生物燃料、类异戊二烯、芳烃和聚酮）说明了这一点。大多数这些细胞工厂的工业相关性仅限于原理验证尝试——除了重组蛋白生产和一些大宗化学品的生物合成。大规模发酵中的高产品滴度和稳健性，对于工业应用同样必要，但在此类试点研究中很少成功实现。

这些性能指标与宿主的新陈代谢和生理学密切相关，这使得稳定生产参数等性状难以设计。例如，大肠杆菌对底物和氧气梯度的敏感性，由于混合限制，在大型生物反应器中经常遇到，是一个长期存在的问题，只是部分解决了。同样，大肠杆菌和酵母的溢出代谢规定了仅限于低底物浓度的糖喂养政策，并放大了与底物梯度相关的问题。因此，具有独特或额外优势特性的非传统宿主成为替代微生物候选者，因为它们在生产特定化合物方面表现出增强的性能，或者因为它们可以抵抗工业规模生产中典型的恶劣条件。此外，非传统宿主能够使用替代原料，例如 C1 化合物作为 CO2，规避与其他工业过程和食品生产的竞争。在许多其他有希望的微生物中，细菌种类天蓝色链霉菌、丙酮丁醇梭菌、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌和红球菌属，以及真核生物曲霉属和 Rhodotorula toruloides 属于非传统生物生产平台的广泛类别。（表格1）说明了这些微生物的一些关键特征，例如，它们产生特定类型分子的能力、对有毒化合物和极端培养条件的耐受性、遗传工具的可用性、底物范围和快速生长速度。这些物种已经找到了以生物技术生产大宗和精细化学品的方式，无论是代谢工程菌株的形式，还是通过长期选择性培养计划获得的过度生产变体的形式。

这种类型的另一个突出例子是革兰氏阴性细菌恶臭假单胞菌，这都是由于合成生物学工具的可用性——不断扩大——以及对化学和氧化应激的显著耐受性。然而，这些微生物在代谢工程和工业应用方面仍未得到充分利用，因为在基因型与表型关系及其代谢网络结构方面存在显著的知识差距。扩大对微生物代谢的了解对于扩大可以“驯化”为细胞工厂的微生物底物的种类是必不可少的。在大多数非传统微生物中，关于 DNA 修饰如何影响表型或代谢网络如何在几个调节水平上相互作用的问题仍然不清楚。

了解基因型与表型之间的关系需要充分利用合成生物学工具，实现合理和靶向的 DNA 修饰，以及全面探索代谢的动态行为，将物理化学或生化扰动与表型变化联系起 来。目前，解决这些挑战的大多数努力都集中在开发新的工具来设计非模型微生物。同时，微生物原型的深入多组学分析正在为模型生物提供动力，允许以前所未有的细节探索细胞中的多个调控层。尽管这些策略是必要的，但它们通常不足以调查非传统微生物作为生物生产平台的潜力——在这种平台上，缺乏对整个生物实体的系统理解。因此，合理设计、多组分数据集成、预测模型和自动化的智能组合对于构建高效的细胞工厂、扩展基础知识和指导代谢工程至关重要。

表格1 在工业生物技术中被选择的替代微生物的关键特征

03

生物铸造厂利用模型微生物宿主推进生物生产

曼森高通量发酵平台

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未完待续

参考文献：Gurdo N, Volke DC, Nikel PI. Merging automation and fundamental discovery into the design-build-test-learn cycle of nontraditional microbes. Trends in Biotechnology. 2022;40(10):1148-59.

Mediacenter Editor | 曼森编辑

文章来源：本文由中科院上海生命科学信息中心与曼森生物合作供稿

排版校对：刘娟娟编辑

内容审核：郝玉有博士

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