来自神户大学和千叶大学的一组研究人员成功开发了一种灵活而简单的方法，可以人为地为真核生物模型酵母菌制造基因开关。该研究小组由富永正弘研究员，石井俊副教授和近藤明彦教授(神户大学科学、技术和创新研究生院/工程生物学研究中心)和UMENO Daisuke教授等人(千叶大学工程研究生院)组成。

基因开关是控制基因表达的基因调控网络。研究人员建立了一个创造基因开关的平台，该平台可应用于开发复杂的、人工控制的酵母细胞，以生产大量有价值的化合物。这些研究结果于2021年3月23日发表在《自然通讯》杂志上。

 "Robust and flexible platform for directed evolution of yeast genetic switches" DOI: 10.1038/s41467-021-22134-y

要点

• 为了人工地在生物体中产生新的功能，基因开关是必需的。这些开关控制基因产生的蛋白质数量(即基因表达(*1))和产生的时间。

• 特别是真核生物的基因开关发展滞后，同时可以控制的基因数量也受到很大限制。

• 研究人员开发了一种新的选择平台，可以在其中设置截止阈值。这使他们成功地为酵母创造了功能强大的人工基因开关，这种开关可以轻松灵活地生产。

• 该开发平台有望在需要精确控制大量基因表达水平和时间的情况下有广泛的应用。这包括优化细胞结构中代谢酶表达的平衡，以生产具有复杂细胞内代谢的有用物质。

研究背景

一个有机体所拥有的基因的数量和类型不仅仅决定了它的生命功能。基因产生蛋白质的时间和数量(即基因表达)是已知的导致显著改变的其他因素。在合成生物学领域，最近的进展已使人工控制某些基因的表达产生许多新的细胞功能成为可能。为了控制基因表达的速率和时间，基因开关是必要的。基因开关(图1)是一种调节系统，它根据来自细胞内外的刺激(或诱导剂)(例如，化学物质的存在)，打开或关闭特定基因的表达。因此，基因开关是人工设计和构建细胞功能的合成生物学的重要工具。

许多基因开关已经被开发用于简单的单细胞生物(原核生物)，如大肠杆菌。然而，真核生物的基因表达系统，如人类、植物和酵母，则更为复杂。因此，这些生物的基因开关发展滞后。尽管酵母是一种典型的真核生物，但试图改造其细胞功能的尝试面临着巨大的限制。

研究方法

在构建基因开关时，很难预测在何处以及如何改变这些开关以控制基因的表达。进化分子工程是一种有用的方法来确定这一点(图2)。该方法包括通过随机诱导部分或整个基因开关突变(*2)来创建一个基因开关变体库，然后选择显示预期性能的变体。虽然很容易产生大量的变体，但必须快速识别这个数量内所需的变体。当基因表达“关闭”和基因表达被特定诱导剂“打开”时，一个人工的消除(选择)过程被用来选择那些保留下来的细胞。然而，如果选择太强或太弱，就不可能选出最好的变体。尽管有必要选择在“开”和“关”状态下都足够健壮的功能性基因开关变体，但很难事先预测这种选择应该有多强。

来自神户大学和千叶大学的研究团队建立了一个工作流程系统，通过改变用于选择的化学物质的类型或浓度，他们可以同时产生不同强度的选择。在选择了一组变异体后，研究人员将每一个变异体暴露在外部刺激(诱生剂)下，并通过观察gfp(绿色荧光蛋白)发出的光水平的变化来分析这种刺激在多大程度上启动了基因表达。这使他们能够确定最合适的选择，换句话说，很容易地识别出表现出高水平性能的遗传开关变异。利用这种方法，研究人员成功地开发了三个新的基因开关，它们的效率与迄今为止为酵母开发的性能最佳的开关一样高。

通过整合这三个基因开关，研究人员生产出了在和控控控制下能够生物合成橙色色素(β-胡萝卜素)的酵母(即，只有在存在两种特定化合物，即DAPG和HSL的情况下才能产生β-胡萝卜素)(图3)。

进一步发展

本研究小组开发的选择方法将加快开发多种酵母基因开关，具有不同的性能水平和特性。这也将导致可以并行控制的基因数量迅速增加。结合这些新的基因开关将使人工设计细胞功能成为可能。例如，这可能有助于开发复杂的、人工调节的酵母细胞，以生产大量有用的有机化合物。

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