Cell子刊 | 江南大學吳靜教授團隊綜述正交生物學系統在微生物工程中的最新進展

在微生物合成生物學領域，科學家致力于通過理性工程化手段重新編程微生物細胞，賦予其全新的功能以滿足多樣化需求。然而，這種干預往往擾動宿主原有的代謝網絡，帶來系統復雜性與不可預測性上升的問題。為應對這一挑戰，研究人員逐步發展出一系列“正交”策略，即在微生物內部構建與天然系統相對隔離的遺傳、代謝、能量與調控系統。這些系統能夠獨立于宿主運行，在減少干擾的同時實現更精確的功能控制，為高效、可編程的細胞工廠構建開辟了新路徑。

近日，江南大學吳靜教授團隊在Cell Press旗下期刊《Trends in Biotechnology》發表了題為《Recruiting orthogonal biological systems for engineering microorganisms》的綜述文章。該文系統回顧了正交生物學系統在微生物工程中的最新進展，涵蓋遺傳信息、代謝途徑、能量供應與調控網絡四個關鍵層面，并展望了未來如何通過集成化設計推動微生物合成生物學邁向更高效、更可控的新階段。

在正交遺傳系統方面，研究重點圍繞DNA復制、轉錄與翻譯三個層面構建獨立于宿主的遺傳信息處理平臺。酵母中的OrthoRep系統利用兩個獨立復制的質粒實現了目標基因的高突變率連續進化，已成功應用于TrpB等酶的快速演化。類似地，近年來在大腸桿菌中開發的BacORep、EcORep等系統將這種能力引入細菌體系，大幅縮短了進化周期。轉錄層面的正交系統則以T7 RNA聚合酶為代表，通過改造啟動子識別特性，實現與宿主轉錄系統的隔離。在翻譯層面，研究人員通過構建正交氨酰-tRNA合成酶/tRNA對以及正交核糖體/mRNA對，實現了非天然氨基酸的定點引入，為新型蛋白質合成提供了可能。

正交代謝途徑的構建則致力于將目標產物的合成與中心碳代謝解耦，減少與宿主代謝的干擾。代表性策略包括非氧化 glycolysis（NOG）途徑，該途徑可在不釋放二氧化碳的前提下將果糖-6-磷酸高效轉化為乙酰輔酶A，提升碳原子利用率。此外，利用非常規底物如木糖、半乳糖醛酸構建的非磷酸化途徑，以及基于異構體前體NPP構建的單萜合成模塊，均在酵母和大腸桿菌中實現了高效產物積累。在空間層面上，研究還利用天然細胞器如過氧化物酶體，以及人工構建的無膜細胞器（MLO）對多酶途徑進行區室化隔離，有效提高了合成效率并減少中間產物毒性。

在正交能量系統方面，研究者致力于開發與天然輔因子隔離的能量載體。通過改造NAD+結構中的AMP部分，獲得了一系列半合成或全合成的正交氧化還原輔因子，如NMN+、NCD+等。其中NCD+可在工程菌中積累至5 mM以上，遠超天然輔因子濃度。為提升這些輔因子的實用性，研究進一步通過理性設計或生長耦聯的高通量篩選策略改造代謝酶，使其能夠高效識別并利用這些非天然輔因子。例如，通過多輪飽和突變篩選獲得的甲酸脫氫酶突變體，其對NCD+的選擇性提高了3700倍，并在連續運行16天的反應中保持高效輔因子循環。

正交調控系統則支撐了更復雜的基因表達與細胞間通信。在胞內層面，基于CRISPR的轉錄激活與干擾系統可同時、正交調控多個基因，推動復雜代謝通路的優化。同時，人工sigma因子和人工轉錄因子結合相應啟動子，建立了獨立于宿主的調控線路。在細胞間層面，研究人員利用不同結構的酰基高絲氨酸內酯構建了正交的種內與種間通信系統。通過設計包含不同信號分子的“捕食者-獵物”菌群系統，實現了種群密度和代謝行為的動態調控，為構建智能微生物群落奠定了基礎。

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