科学家开发出微生物可控进化新方法

本文转自中科院之声，本文来源中国科学院微生物研究所

胁迫抗性是工业微生物的重要属性之一。微生物的胁迫抗性是多基因控制的复杂生理性状，单基因改造方法很难有效发挥作用。而针对多基因的化学/物理诱变、转录因子改造等方法，均采用“先突变后筛选”的策略，需要频繁的人工介入，导致整个改造过程不连续且效率低。

为了快速提高工业微生物对不同环境胁迫的抗性，中国科学院微生物研究所李寅课题组已开发出基因组复制工程辅助的连续进化技术GREACE（Luan et al. Biotechnology for Biofuels 2013, 6:137）。其基本原理是降低基因组复制过程的保真性，提高突变频率，实现在给定环境胁迫条件下的“边突变边筛选”，达到连续高效进化的目的。相关系统已提供给国内外十多个科研机构使用。

在自然界的胁迫条件下，极少量微生物细胞会通过一系列的生理调控，进入一种基因组复制突变率极高的超突变态。受这一现象的启发，李寅课题组的研究人员采用双稳态开关，创建了一个胁迫诱导突变（stress-induced mutagenesis）的进化模块。将该模块植入大肠杆菌后，加入诱导剂IPTG可引发胁迫诱导突变，使细胞跃迁到突变态，从而适应环境胁迫。当达到进化目标后，加入诱导剂aTc抑制胁迫诱导突变，使细胞回归到正常态，保持进化后的性状稳定遗传。

在这一设计思想指导下，研究人员通过10个周期的IPTG/aTc切换，在2个半月内就将大肠杆菌对丁醇的最低耐受浓度提高了56%，实现了复杂生理性状的人工控制进化。研究结果为进化工程增加了一种可控进化新方法，也为胁迫诱导突变理论提供了新的实验证据。

以上结果已于6月30日在Biotechnology for Biofuels 在线发表。朱林江为该文的第一作者，蔡真为该文的通讯作者。该研究得到了国家科技部“973”计划和“863”计划的资助。

图：胁迫诱导突变模块的设计思路。A：采用经典的双稳态开关，对引发和抑制胁迫诱导突变的基因进行双稳态控制。B：加入不同的诱导剂，使细胞在正常态和突变态之间切换。