人工多菌体系的设计与构建在合成生物学领域的应用

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人工多菌体系的设计与构建在合成生物学领域的应用

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来源

https://www.bioalpha2008.com/articles/rgdjtx.html

人工多菌体系的设计与构建是合成生物学领域的前沿研究方向，通过合理设计和优化多个菌株的相互作用，可以实现更高效、更稳定的生物合成过程。本文将从人工多菌体系的优势、设计原则、构建方法、应用实例和发展展望等方面进行详细介绍。

一、人工多菌体系的优势

减轻代谢压力：在重组菌株中，异源途径的过表达会增加底盘细胞的代谢压力，而人工多菌体系能有效地分配底盘细胞的代谢负担。例如，合成生物学的飞速发展拓展了单菌体系的功能，但异源途径过表达会导致细胞中能量分配失衡，对底盘细胞的正常生长和目标产物的生物合成产生不利影响。

提供多样表达环境：人工多菌体系为目标产物的生物合成提供多样且适配的表达环境。不同的菌株可以在多菌体系中发挥各自的优势，共同完成复杂的生物合成任务。

灵活调控途径：使得途径的全局调控更加灵活。通过对多菌体系中各个菌株的调控，可以实现对生物合成途径的精细调控。

二、人工多菌体系的设计原则

途径分工的理性设计
明确各个菌株在生物合成中的具体任务，实现功能的合理分配。例如在某些生物合成过程中，不同的菌株可以分别负责不同的代谢步骤，提高合成效率。
菌群互作关系的理性设计
构建良好的菌群互作关系，促进生物合成。不同菌株之间可以通过物质、能量和信息的交换实现相互作用，如偏利共生、互利共生等关系。
功能菌群时空有序分布
合理安排各个菌株在空间和时间上的分布，提高生物合成的效率和稳定性。例如在某些多菌体系中，不同的菌株可以在不同的时间点发挥作用，或者在空间上形成特定的分布结构。
基于模型算法指导下的多菌体系理性构建
利用模型算法对多菌体系进行设计和优化。通过建立数学模型，可以预测不同菌株在多菌体系中的行为和相互作用，从而指导多菌体系的构建。

三、人工多菌体系的构建方法

菌株选择与改造
根据生物合成的目标选择合适的菌株，并对其进行理性设计与改造。例如在维生素C一步混菌发酵体系的构建中，通过对菌株的理性设计与改造，重构混菌体系中菌群的相互作用关系，实现对人工混菌体系的适配性调控。
优化发酵条件
综合考虑实验室条件和生产成本等多种因素，优化多菌体系的发酵条件。如在维生素C工业生产体系中，成功设计构建Gluconobacter oxydans - Ketogulonicigenium vulgare两菌一步发酵体系后，优化发酵条件以提高生产效率。
构建死亡基因模块组合
在某些工业生产中，可以构建基于群体感应系统的死亡基因模块组合，实现工业一步菌的程序性死亡，优化混菌体系的性能。例如在维生素C一步混菌发酵体系中，构建并优化一系列基于群体感应系统的死亡基因模块组合，提高了2 - KGA的大摩尔转化效率。

四、人工多菌体系的应用实例

生物合成领域
以人工多菌体系在近几年生物合成中的最新进展为实例，突出其在生物合成中的优势。例如在合成生物学中，人工多菌体系可以用于合成各种生物产品，如维生素C、燃料丁醇和琥珀酸等。
木质纤维素生物质降解
设计和构建不同的微生物菌群，用于固态处理小麦麸皮和小麦秸秆，提高木质纤维素生物质的降解效率。微生物菌群，如BFY4和BFY5，含有不同的细菌、真菌和酵母，由于更有利的水解酶活性和提高的还原糖产量，导致糖积累比例高，降解率超过33%。
多环芳烃降解
通过简化群落结构、明确分工和精简代谢通量构建人工混合微生物系统（MMS），用于多环芳烃的降解。人工MMS的构建显示出巨大的效率，并且该综述描述了人工MMS用于多环芳烃降解的构建原则、影响因素和增强策略。
生产挥发性平台烃
开发由产生挥发性平台化学品（乙烯和异戊二烯）的大肠杆菌菌株和两种光养合成并输出蔗糖以喂养这些异养生物的蓝细菌菌株组成的人工菌群。转基因蓝细菌产生的二糖用作两个群落成分之间的碳和电子穿梭，成功合成了挥发性烃。
环境领域
人工微生物多细胞体系在环境领域有广泛应用，包括废水处理、土壤修复、有机废物能源转化等。通过基于微生物菌群相互作用与代谢网络设计构建复杂的人工多菌体系，利用培养条件优化、劳动分工、群感效应、3D菌群结构设计与计算仿真技术等策略调控其组成与功能，提高其稳定性和环境适应性。