利用新的基因组技术可以破译代谢物的语言

来源：news medical|作者：Lois Zoppi|2019-10-14 |翻译：聚生物

大量的医疗、农业和工业产品都是基于次生代谢物，即微生物产生的调节体内和体外信息传递、自我防卫和机体内环境平衡的有机化合物。由美国能源部联合基因组研究所(JGI)领导的一组微生物学家和基因组学家发明了一种基因工程工具，可以促进对这类化合物的研究，并扩展我们对微生物如何进化及其在环境中的位置的理解。

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这项技术被称为CRAGE (chassis-independent ase-assisted genome engineering)，它可以帮助研究人员避开研究次级代谢物时面临的一个常见障碍。当微生物在实验室条件下被研究时，它们不会产生次生代谢物化合物，因为它们不存在通常会刺激次生代谢物产生的竞争水平，这意味着科学家无法研究它们。

首席作者和科学家，联合基因组研究所（JGI）, Yasuo Yoshikuni:“这些代谢物就像微生物用来与它们的生物群落相互作用的一种语言，当它们被孤立时，它们就会沉默。”

这是因为次生代谢物虽然对微生物的生存不是必需的，但在面临环境竞争或压力时却能给有机体提供一定的优势。产生次生代谢物的能力是通过水平基因转移的方式在微生物之间来回传递的，不管这些微生物是亲缘关系紧密还是远亲。这是可能的，因为次级代谢物是由一组称为生物合成基因簇(BGCs)的基因编码的。

这意味着微生物能够迅速适应不断变化的环境条件，通过失去或获得确保其生存的特性，通过快速共享次级代谢产物化合物，在这一过程中引发突变，并能在多种化合物的生产中创造高峰。

福田.吉国（Yasuo Yoshikuni):“我们目前缺乏刺激微生物激活其BGC并合成完整产品的技术，这是一个涉及许多步骤的细胞过程。”

但是现在，科学家们能够利用CRAGE将BCGs从一种生物体内移植到多种潜在的生产次级代谢物的菌株体内，这样他们就能够识别出能够在人工实验室条件下产生次生代谢物化合物的微生物菌株。

来自德国法兰克福歌德大学的Helge Bode是这项研究的共同作者，他说:“因此，CRAGE使我们比以前更容易获得这些化合物。在一些情况下，它已经使我们能够生产并首次确定一种感兴趣的化合物。”

CRAGE还将使研究人员能够在不同物种之间转移微生物，使他们能够观察目前被归类为“生物暗物质”的化合物是如何工作的，最终建立关于这一课题的理论和推测的基础。

太平洋西北国家实验室，环境分子科学实验室（EMSL）的大卫·霍伊特：“这是一个里程碑式的进展，因为通过CRAGE，我们可以研究不同的生物如何以不同的方式表达一个基因网络，从而研究水平转移的能力如何进化。”

霍伊特继续说:“以前的工具要有限得多“。但是，当Yoshikuni的研究团队测试CRAGE时，Hoyt和他的同事Kerem Bingol和Nancy Washton能够帮助鉴定一组尚未被发现的次生代谢物，展示了CRAGE作为研究工具的作用。

该研究的第一作者之一、JGI的科学工程助理京科(Jing-Ke)说，CRAGE在代谢物研究之外的应用进一步扩大，它可以用于“设计微生物，用于生产蛋白质、RNA和其他分子，具有广泛的应用范围”。

到目前为止，研究小组已经将BGCs转移到30种不同的细菌中，他们相信BGCs也能在其他种类的细菌中发挥作用。由于CRAGE技术需要应用于某些种类的细菌，因此研究仍在进行中。

然而，使用JGI（DOE科学办公室用户设施）的研究团队能够通过试点项目使用CRAGE。

2013年开发出前体基因重组工具rage的yoshikuni说：“除了一些研究得很好的微生物，比如大肠杆菌等所谓的模式生物，我们不知道一个菌株是否具备执行BGC激活所有步骤所需的技能。”

他和他在JGI的同事正在利用CRAGE探索用于生物制造的非常规细菌宿主，以及他们自己研究的许多其他课题。“希望通过CRAGE，我们可以开始改变这种模式，”Yoshikuni继续说道。“我们可以研究更多的野生物种，以发现它们更适合生产产品和药物的特性。”

Source:

Unlocking the biochemical treasure chest within microbes. EurekAlert.

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