2022-04-07 11:53

复古技术推进了现代生物能源细菌工程

Retro technique advances modern bacterial engineering for bioenergy

橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的科学家们在绘制细菌基因组图谱时遇到了一个问题,即如何更好地理解它们的物理特性的起源,并改善它们生产生物能的功能。他们成功地用于生物燃料植物原料基因图谱的方法依赖于创造并分析多样性、有性重组的变异,而细菌通常是无性繁殖,但多样性有限。

“细菌不能以我们需要的方式繁殖。它们通常通过分裂进行繁殖,从一个母细胞到两个子细胞,它们的基因组与父细胞本质上相同,”ORNL生物科学部项目负责人乔希·麦切纳(Josh Michener)说。

解决方案来自于一种基因研究工具,它最早在20世纪70年代开发出来:原生质体融合。科学家们能够利用这种技术杂交芽孢杆菌菌株,并产生了大量基因差异很大的生物体,这将使人们对基因组变异和由此产生的物理特征有更深入的了解。

原生质体融合是一种经典的基因工程方法,将细胞剥离外层,通过化学方法融合在一起,使亲本染色体之间的重组成为可能。虽然研究人员已经使用这项技术几十年了,首先是作为一种常规的基因技术,然后作为一种工具来设计微生物中抗生素生产等特性,但对其潜在的染色体重排却知之甚少。

麦切纳说:“当科学家在过去使用这种原生质体融合技术时,由于当时的技术限制,他们并不真正知道后代的基因组看起来像什么。”“我们恢复了这项技术,让它变得更简单。我们基本上受益于这一领域50年的发展,所以我们可以进行这种杂交,然后研究几十到数百个后代。”

研究人员使用计算方法来分析由此产生的后代的基因组,并将它们映射回它们的父母。麦切纳说:“我们可以说,基因组中的这一小段DNA来自父母A,另一小段来自父母B,以此类推。”

正如《核酸研究》中概述的那样,他们发现在不同长度尺度的基因组中存在重组。“我们进行了大大小小的DNA交换,这个过程看起来几乎是随机的。这些正是我们想要实现基因图谱的特征。”

自那以后,该团队共进行了4轮重组,结果产生了大约500个完全测序和高度洗牌的菲律宾房价后代。由ORNL的Dan Jacobson领导的一个计算系统生物学团队正在使用机器学习的方法来加速细菌的表型和映射,以确定所需的物理特征和它们的遗传基础之间的联系。

其结果是一种新的微生物特征映射能力,可以加速微生物的设计,例如,更好地分解植物生物量生产清洁的生物燃料。

麦切纳说:“这个项目的收获之一是,在旧文献中有很多非常有用的信息。”“有时候,这并不全是最新、最时髦的方法。”

麦切纳补充说,这一发现增加了ORNL生物能源创新中心在基因制图方面的核心优势,而这一优势是众所周知的。研究小组的其他成员有Delyana Vasileva、Jared Streich、Leah Burdick、Dawn Klingeman、Hari Chhetri、Christa Brelsford、Chris Ellis和Dan Close。