基因增变器驱动的酿酒酵母基因组连续进化

酿酒酵母是工业生物技术最常用的底盘细胞之一,被广泛应用于生物基化学品和高附加值产品的大规模生产。鉴于生物体系代谢和调控网络的复杂性,由多基因协同控制的复杂生理性状的改造通常需要采取全基因组进化来实现。为实现酿酒酵母基因组的快速进化,本研究采用CRISPR干扰技术(CRISPRi)调控与染色体复制和稳定性相关基因(MSH2、TSA1、RAD27和CLB5,即增变基因)的表达水平,构建了能够调控酿酒酵母基因组突变率和突变类型的基因增变器。利用基因增变器提高酿酒酵母的β-胡萝卜素合成水平、木糖利用效率和异丁醇耐受性。此外,构建了混合基因增变器和多重基因增变器,进一步探究了不同表型基因组进化所需的最佳突变类型以及不同突变类型之间的协同进化机制。本研究不仅可用于创建高性能酿酒酵母细胞工厂,还有可能发展一个具有普遍适用性的基因组连续进化策略。

酿酒酵母基因组进化的研究进展

由于细胞代谢和调控网络的复杂性,尤其是对于多基因调控的复杂性状和遗传工具有限的生物系统而言,基因组进化在微生物细胞工厂的构建中起着至关重要的作用。基因组进化通过人为创造多样化性状以及功能筛选的迭代循环,在实验室中模拟且加速自然进化的过程,从而快速获得满足目标需求的进化突变体。酿酒酵母是代谢工程中重要的底盘细胞,全基因组进化是对其进行系统性改造的最有效合成生物学手段之一。本文总结了基因组进化在构建高效的酿酒酵母细胞工厂中的技术进展和应用,包括基因组改组、转座子插入诱变和全局转录机制工程(gTME)等基于随机突变的非理性基因组进化以及诸如酵母寡核苷酸介导的基因组工程(YOGE),真核基因组多重位点自动改造技术(eMAGE)、RNAi辅助的基因组进化方法(RAGE)以及基于CRISPR体系的基因组规模改造技术(CHAnGE、MAGIC和MAGESTIC)等可示踪的半理性基因组进化,并简要介绍了基因组进化面临的挑战和高通量筛选方法的发展前景。