研究实现大片段DNA染色体整合
文章导读
你是否想过，那些拯救生命的抗生素，其生产过程本身也能迎来一场“基因革命”？传统依靠不稳定质粒的生产方式，正面临效率瓶颈。现在，中国科学家取得了一项关键突破：他们开发了一种创新的基因整合工具包，能够将长达数十个基因的大片段DNA，像拼积木一样精准、稳定地“安装”到细菌染色体上。这项技术不仅成功构建出全球首株无需质粒、就能稳定合成红霉素的大肠杆菌，更将产量提升了8倍以上。这不仅仅意味着一种重要抗生素的产能飞跃，更是一把开启复杂天然产物高效生物制造新大门的通用钥匙。
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近期，中国科学院分子植物科学卓越创新中心开发了创新的、基于可重复利用靶点的大片段DNA染色体整合策略，构建了首株能够脱离质粒、稳定合成红霉素A的大肠杆菌菌株，并提升了产量。
红霉素是临床重要的广谱大环内酯类抗生素。传统研究多采用多质粒系统进行表达，但质粒的不稳定性、抗生素的使用及细胞代谢负担过重，限制了生产效率提升。为了解决这一难题，该研究开发了基于CRISPR/Cas9的可重复利用靶点工具包。
这一工具包针对不同长度的片段采取了差异化策略。对于大于10 kb的片段，采用两步整合法，利用限制性内切酶从质粒直接切割大片段作为供体DNA，避免了长片段PCR引入突变的风险；对于小于5 kb的片段，采用迭代整合法，在同一靶点进行连续组装。通过该技术，研究将23个红霉素合成相关基因，精确集成到大肠杆菌BAP1的染色体上，获得了工程菌株sZG9，这是全球首个实现无质粒红霉素A生物合成的大肠杆菌菌株。在实现染色体稳定集成后，研究进一步针对红霉素合成中的前体供应瓶颈，进行了深度的代谢工程优化。经过多轮迭代优化，菌株sZG135的红霉素A产量达到9.80 mg/L，较初始菌株实现了8.25倍的增长，刷新了目前大肠杆菌合成红霉素A的最高产量纪录。
上述研究为红霉素的高效生产提供了高性能的底盘细胞，其开发的大片段DNA染色体整合策略具有通用性，可推广至其他复杂聚酮类、萜类等天然产物的生物合成研究，为合成生物学研究提供了工具支持。
相关研究成果在线发表在《生物资源技术》（Bioresource Technology）上。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。
可复用靶位点工具包助力大片段DNA染色体整合并提升红霉素在大肠杆菌中的产量
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这套染色体整合方案挺牛的，省了好多质粒麻烦。