合成酵母的“进化加速器”——ReSCuES系统

　　给SCRaMbLE系统加道“保险” 

    SCRaMbLE系统最早于2011年由Boeke及其团队首次发表于《自然》。在当时的研究中，携带部分人工合成染色体（插入43个LoxPsym位点）的菌株在重组酶激活后最终产生了突变菌株，这些突变株在生长率方面表现出了很大的变化。 

　　戴俊彪表示，“实际上，在设计合成染色体的时候，我们在每一个非必需基因的后面都掺入了一个LoxPsym位点，LoxPsym位点能被Cre重组酶识别。LoxPsym位点就相当于是特殊的标签，Cre重组酶进去之后抓出2个LoxPsym位点就能对对它们进行重组。“ 

　　也就是通过系统性地插入了大量的序列特异性重组位点loxPsym，成功在合成的酵母基因组中植入了短时间内从一个基因组出发，进化获得高度多样的基因组序列的“超能力”。 基因组序列发生了由“1”到“N”的变化。 

　　戴俊彪和蔡毅之合作团队的工作则是确保合成染色体的基因组序列发生了变化，从而进一步为进化“提速”。 

　　戴俊彪进一步解释，“筛选的标准是利用了2个标记，这2个标记在Cre重组酶条件下会翻转过来。例如一开始标记a是开着的，标记b是关着的；一旦重组以后，a就会变成关着的，b变成开着的。” 

　　经ReSCuES筛选出来的每个菌株都含有其特异的基因组序列组成，这些菌株可作为原材料供后续筛选优良性状、构筑底盘细胞以及其他用途。 

　　“SCRaMbLE、ReSCuES以及后续的筛选过程组成了一个高效的‘进化加速器’，可以在短短几天的时间内实现自然界中需要漫长的时间（可长达上亿年）才能完成的性状进化过程。”蔡毅之表示。 

　　值得一提是，与实验室培养不同，在工业应用过程中酵母通常需要面对来自环境中不同的胁迫，包括酵母自身发酵产生的乙醇、乙酸等有毒害作用的物质，以及来自发酵培养过程中的高温、高盐等不适的环境条件。 

    如何提高酵母对环境胁迫的耐受性一直是工业应用领域内的研究热点。  

　　基于该“进化加速器”，研究团队首先以含有第12号合成染色体的菌株为模型，成功实现了乙醇耐受性的提升并提高了乙醇的发酵产量。然后以筛选获得的耐受菌株为对象，解析耐受性背后机制为，3’非编码区调节Ace2p转录因子水平进而调控细胞乙醇耐受性。 

　　最后研究团队以多个不同的合成菌株为起点，成功实现了高温耐受性和乙酸耐受性的提升。进化后的菌株在高浓度的乙酸条件下的生物量积累可以提高将近40倍。 

　　除了提高菌株对不利因素的耐受性，快速实现目标产物代谢途径和底盘细胞的优化适配是目标产物产量最大化的另外一个重要方面。 

　　形象来说，就如水利输送系统，为了达到最优的输送効率，不仅需要优化各步骤的运输能力，使它们相互协调（目标产物代谢途径优化），还需要增加来源和减少运输过程中的不必要的消耗（底盘细胞优化适配）。 

　　针对这一问题，戴俊彪表示，“我们先在体外用SCRaMbLE的办法把一条代谢通路上的基因、调控元件进行重排，再把重排后的元件插入到合成酵母的基因组里面去。”经过这一步，实现了底盘基因组的多样化。随后，通过合适的筛选，即可获得外源代谢途径与底盘相互优化适配的高产菌株。 

　　研究团队用提高β-胡萝卜素和紫色杆菌素产量验证了这一流程的高效。研究团队通过SCRaMbLE-in技术将优化后的代谢途径插入合成基因组中，并同时重排底盘细胞基因组，实现目标产物产量的第一次提升，即提升将近5倍。最后，通过多轮的SCRaMbLE实现生产菌株的产量的连续提升，最终产量为初始产量的将近20倍。 

澎湃新闻：2018年5月23日报道 https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_2146516