Nature：利用氟化物敏感性控制和选择转基因酵母

来源：中国生物技术网

近日，一篇发表在《Nature》上的文章提出了一种对氟化物有高度敏感性的酵母生物遏制菌株，以及一套依赖于基于氟化物选择的互补DNA载体。合成生物学的快速发展增强了我们设计细胞功能的能力，也增强了我们对转基因生物(GMOs)的关注。转基因生物现已被改造以用工业规模生产生物燃料、化学品和药品，而微生物基因组的设计和构建有望以更大的能力来设计功能明确的细胞。然而，这些进展加剧了人们对转基因生物带来的健康和生态风险的担忧，这些转基因生物含有有害的遗传物质，或者比自然生态系统中的微生物具有更强的适应优势。而且由于diy合成生物学工具包的出现，使得无需学术界和产业界现有的物理遏制策略就可以构建转基因生物，因此转基因生物的潜在发布尤其令人担忧。目前，大多数生物技术应用从作为抗生素替代品的良性选择标记中获得巨大好处，但这很昂贵，并可能导致过度使用抗生素和裂解细胞的水平基因转移(HGT)传播抗生素耐药性。尽管现在细菌的生物遏制方法已经迅速发展，但只有两种策略在酵母中得到证明。此外，啤酒酵母的两种生物遏制策略需要外源配体和细胞机制来生存，并依赖于必要基因的诱导转录。这种设计策略使得保护机制容易受到失活突变的影响。相反，一个独立于可变系统的允许状态将显著降低生物遏制失活的可能性。此外，理想的真核生物控制策略是兼容各种微生物。这种生物遏制系统的普遍性越来越重要，因为非模式真核生物继续作为生产平台被开发。最近已在三种真核生物中阐明了其对氟化物耐受的机制，它依赖于至少一种氟化物出口蛋白，FEX1或FEX222的存在。认识到这种严格的选择机制的广泛用途，本研究试图将氟敏感性的应用扩展到合成生物学的两个迫切需要:生物遏制和替代选择标记。该研究通过对空间和时间的考察，发现氟敏感性使被动生物防护成为可能，这一策略在本质上是稳健的，因为它的效力依赖于内源性基因的缺失，而不是受到持续选择压力和中性漂移影响的必需基因。而为了进一步确定该菌株的基准，该研究也对该菌株进行了四个因素的评估，并描述一个理想的生物抑制策略:(1)最小适应度缺陷，(2)对附加工程的适应性，(3)逃逸率低于1 / 108细胞，(4)遗传稳健性，从而支持使用氟化物敏感性作为生物控制措施。另外该文章的其它研究也表明了对氟化物的敏感性使基于氟化物的媒介选择成为可能，以及对FEX载体的表征和表达的优化进行了详细的阐述。这项研究在生物遏制和质粒系统中提高了氟化物的敏感性。与现有战略相比，我们的生物遏制菌株提供了几个优势。首先，我们的菌株立即适应了学术和工业应用，因为生长介质是用无氟的超纯水制备的。其次，利用基因工程技术，可以很容易地将敲除基因导入到任何酵母菌株中。第三，环境氟不太可能污染生物反应器。最后，其他含有氟转运体基因缺失的真核生物表现出对氟化物的敏感性。因此，我们的生物控制战略很可能可以扩展到与生物技术有关的各种生物。我们构建了一组向量，补充了Δfex背景赋予氟公差保持不同的DNA。我们扩展了氟化物敏感性的使用，使模型酵母的各种DNA脊骨中任何基因的异源表达可用。与抗生素相比，基于氟的选择大大降低了选择成本，并排除了产生抗生素耐药性的风险。我们期望我们的贡献将立即用于学术和工业环境，以推进合成生物学的努力。