基因组重排再造出超级酵母

天津大学元英进教授带领的合成生物学团队，继人工合成酵母染色体打破非生命物质和生命物质界限后，日前首次利用精确控制基因组重排技术，培养出了能几何级生长的“超级酵母菌”。该成果填补了国内基因组结构变异的技术空白，提高了细胞工厂生产效率。该研究成果的三篇相关论文在《自然通讯》期刊同期发表。

据介绍，以前的DNA变异技术大多只针对基因层面进行小规模改造，在更加复杂的基因组结构变异层面的人工构建技术仍具有挑战。    

天津大学科研团队正是瞄准这一难题，研究出能够精准控制基因重排的方法，使作为研究对象的合成型酵母菌，在有限时间内产生几何级增长的基因组变异，驱动其快速进化生长。

为了能够精准调控合成型酵母基因组重排过程，天地大的科研人员特意为细胞设计了一把“入门锁”，打开这把“锁”要用两把“钥匙”，只有两把“钥匙”同时转动的状态下，细胞内的基因组重排才会开启。而这两把“钥匙”就是添加到菌株培养基中的两种物质——半乳糖和雌激素。在它们的互相作用下，通过使用这一精准控制技术对合成型酵母基因组进行多轮迭代重排，酵母种类多样性得到了极大丰富。科研人员从中筛选出大量高产β-胡萝卜素的菌株，经过5轮迭代基因组重排，合成型酵母菌中β-胡萝卜素产量提升了38.8倍。

在此基础上，研究人员还分别通过杂合二倍体基因组重排和跨物种基因组重排，获得了可以在摄氏42度温度下生长加快的菌株和咖啡因耐受性明显增强的酵母菌株。英国帝国理工大学的研究者们也利用天津大学合成型5号染色体的酵母菌进行基因组重排，实现底盘细胞的快速进化，显著提升了酵母紫色杆菌素合成能力和五碳糖代谢利用能力。

这一研究未来对提升能源医药化学品的生产合成，对于工业菌株进化和功能知识发现具有重要意义。上述研究还得到国家自然科学基金委、科技部973计划以及国际合作项目的支持。