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利用代謝工程與合成生物學技術，創(chuàng)建高效生產(chǎn)天然或非天然化學品的微生物細胞工廠，已展現(xiàn)出良好的應用前景和巨大的市場潛力。然而，實驗室構(gòu)建的工程菌株大多基于質(zhì)粒系統(tǒng)完成，通常需要抗生素和誘導劑來保證功能基因和途徑的穩(wěn)定存在，這為大規(guī)模低成本生產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)。在染色體水平上進行基因編輯與操作，創(chuàng)建完全沒有質(zhì)粒、基因表達無需誘導的高產(chǎn)工程菌株，對于化學品的生物制造具有重要意義。然而，由于染色體拷貝數(shù)少、目標靶點不清楚、基因表達水平低、基因操作相對困難等因素，見諸報道的全染色體編輯的高產(chǎn)工程菌株很少。
針對這一挑戰(zhàn)，中國科學院微生物研究所研究人員以大宗有機溶劑和潛在生物燃料——正丁醇為目標產(chǎn)品，以大腸桿菌為底盤細胞，創(chuàng)建全染色體編輯的丁醇細胞工廠。該研究的基本策略是將細胞工廠構(gòu)建分為在染色體上創(chuàng)建生物合成途徑與全染色體編輯優(yōu)化兩個部分，通過交互循環(huán)操作，不斷強化丁醇途徑以及底盤細胞對丁醇途徑的支持能力，從而提高工程菌株的丁醇生產(chǎn)能力。經(jīng)過以上策略獲得的丁醇高產(chǎn)菌株，在簡單批式發(fā)酵中可以產(chǎn)生20g/L的丁醇，達到產(chǎn)丁醇大腸桿菌最高水平；對葡萄糖的得率達到理論最大值的83%，超越天然的產(chǎn)丁醇梭菌，顯示出全染色體編輯代謝工程的潛力。該菌株生產(chǎn)丁醇不需要添加任何抗生素和誘導劑，已在中科院天津工業(yè)生物技術研究所中試平臺完成了放大測試，效果良好，具有工業(yè)化生產(chǎn)應用的潛力。
該研究使用一系列基因組操作技術，包括同源重組、l噬菌體Red重組技術、CRISPR/Cas9、Tn5轉(zhuǎn)座子突變等，在大腸桿菌染色體水平上對38個基因進行編輯和操作，通過理性和非理性策略相結(jié)合，解決競爭碳流的副產(chǎn)物較多、丁醇生產(chǎn)能量和還原力不足、染色體基因表達強度弱等問題，最終獲得了具有工業(yè)應用潛力的高產(chǎn)丁醇細胞工廠，為創(chuàng)建全染色體編輯的化學品高產(chǎn)細胞工廠提供了范例。
研究工作得到國家自然科學基金及國家863計劃項目等資助，并已申請中國專利，相關研究成果在線發(fā)表在Metabolic Engineering上。
