近日，微生物技術國家重點實驗室梁泉峰/祁慶生團隊在Advanced Science上發表題為“Creating Polyploid Escherichia coli and its Application in Efficient L-threonine Production”的研究論文。梁泉峰教授和祁慶生教授為論文通訊作者，微生物技術國家重點實驗室博士研究生王蘇蒙為論文第一作者。
基因組的拷貝數問題是生命科學領域的基礎問題體系之一。合成生物學的最終目標是創造新的生命體系，而設計高效的微生物細胞工廠用于高附加值的生產是目前合成生物學的研究重點。細胞由于染色體數量的增加，其遺傳多樣性大大增強，提高了細胞對環境壓力的抵抗能力。自然界中多倍體常見于真核生物中，并且構建人工細胞實際應用潛力也是未知的。本研究的目的是設計構建新的原核生物人工多倍體細胞并將其應用到生物化學品的生產。
本研究通過精細調控細胞的分裂，設計創建新的多倍體大腸桿菌（包含2-4條染色體）。ftsZ是控制細胞分裂的主要基因。ftsZ不表達可以阻止細胞分裂，同時仍然允許正在進行的基因組復制完成。然而，長時間抑制分裂會導致細胞周期終止而死亡。相反，過高ftsZ表達使細胞快速分裂而形成小細胞。因此，我們通過構建不同表達強度“CmR-終止子-啟動子-RBS” 元件盒，并插入染色體ftsZ基因前精細調控ftsZ的表達水平，最終成功創建了含有2-4條染色體的多倍體大腸桿菌。
該多倍體大腸桿菌的染色體高度穩定，表型發生改變，細胞生長在豐富培養基上具有明顯優勢，而且多倍體細胞具有較強的耐酸和乙酸鹽耐受性。氨基酸代謝、能量代謝、中心碳代謝等途徑基因顯著上調。進一步將該多倍體應用于蘇氨酸的高效生產中，使工程菌的蘇氨酸的產量達到了目前為止報道的最高產量160.3g/L。
本研究創建的多倍體大腸桿菌為構建強健高效的細胞工廠底盤細胞，以及探索原核生物進化及染色體功能提供了新的策略和素材。
本研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等科研項目的資助。山東大學生命環境研究公共技術平臺為本工作提供了重要支持。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202302417
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