合成生物技術(shù)打造「葉綠體工廠」，利用光和二氧化碳生產(chǎn)高值產(chǎn)物，未來農(nóng)場里的植物或可直接生產(chǎn)蛋白或核酸
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光合作用是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)之一。
綠色植物利用光能把二氧化碳和水合成有機物并釋放氧氣，這個過程對于維持地球大氣的碳 - 氧平衡具有重要意義，同時，也為地球上的生命直接或間接地提供了生存所需要的物質(zhì)和能量。
植物細(xì)胞中的葉綠體是進(jìn)行光合作用的關(guān)鍵。能否借助葉綠體通過光合作用來定向生產(chǎn)人們需要的化合物呢？答案是肯定的。
微型染色體：葉綠體轉(zhuǎn)基因的新工具
今年 6 月，法國生物技術(shù)公司 Algentech 總裁兼首席執(zhí)行官 Alexander Sorokin 團(tuán)隊在 Nature Plants 發(fā)表了一篇題為 “Replicating minichromosomes as a new tool for plastid genome engineering” 的論文。
研究人員開發(fā)出了一種在葉綠體中導(dǎo)入和表達(dá)轉(zhuǎn)基因的新方法，與傳統(tǒng)策略不同，該方法不需要將轉(zhuǎn)基因插入葉綠體基因組。相反地，轉(zhuǎn)基因作為一個物理上獨立的實體被放大，稱為 “微型染色體”。擴(kuò)增發(fā)生在存在輔助蛋白的情況下，該輔助蛋白通過識別轉(zhuǎn)基因兩側(cè)的特定序列啟動復(fù)制過程，導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因 DNA 以極高的水平積累。
重要的是，研究人員證明了這種擴(kuò)增的轉(zhuǎn)基因作為外源蛋白表達(dá)的模板，在植物發(fā)育過程中保持穩(wěn)定，并通過母體傳遞給后代。這些發(fā)現(xiàn)表明，基于 “微型染色體” 的方法是葉綠體轉(zhuǎn)基因表達(dá)和細(xì)胞器基因組工程的一個有潛力的工具。
這項研究證明了 “微型染色體” 可以作為植物中蛋白表達(dá)的模板，不僅縮短了篩選過程，而且減弱了轉(zhuǎn)基因過程對蛋白表達(dá)的不利影響。更為關(guān)鍵的是，這一策略為至今為止無法進(jìn)行細(xì)胞器修飾的生物體開發(fā)質(zhì)體轉(zhuǎn)化方法提供了參考，在合成生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用前景非常廣泛。
可在葉綠體中高表達(dá)蛋白和核酸
質(zhì)體（Plastid）是一類與碳水化合物的合成與貯藏密切相關(guān)的細(xì)胞器，它是植物細(xì)胞特有的結(jié)構(gòu)。根據(jù)色素的不同，質(zhì)體大體可分成三種類型：葉綠體、色質(zhì)體和白色體。葉綠體（Chloroplast）是含有葉綠素的質(zhì)體，是高等植物和一些藻類中能進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器。
相較于細(xì)胞核轉(zhuǎn)基因， 質(zhì)體轉(zhuǎn)基因具有諸多優(yōu)勢：第一，實現(xiàn)高產(chǎn)蛋白質(zhì)和生物化合物生產(chǎn)的可能性；第二，由于缺乏表觀遺傳或轉(zhuǎn)錄后基因沉默機制，蛋白質(zhì)表達(dá)的穩(wěn)定性；第三，由于質(zhì)體 DNA 的母系遺傳，減少了不良轉(zhuǎn)基因傳播的風(fēng)險；第四，由于葉綠體翻譯機制的原核性質(zhì)，多順反子單位的表達(dá)可能性，促進(jìn)了復(fù)雜的代謝途徑工程。
質(zhì)體轉(zhuǎn)化常見的方法是將轉(zhuǎn)基因 DNA 導(dǎo)入細(xì)胞器中，轉(zhuǎn)基因插入是通過轉(zhuǎn)基因兩側(cè)葉綠體轉(zhuǎn)化載體中存在的質(zhì)體和質(zhì)體靶向序列之間的兩個同源重組事件進(jìn)行的。葉綠體轉(zhuǎn)化的困難在于質(zhì)體的高度多倍體，在單個細(xì)胞中存在多達(dá) 10,000 個質(zhì)體 DNA 拷貝。為了獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)基因細(xì)胞系，需要保持選擇壓力直到達(dá)到同源狀態(tài)，以此消除所有沒有轉(zhuǎn)基因的質(zhì)體 DNA 副本。
Algentech 公司開發(fā)的這項技術(shù)是基于葉綠體，而葉綠體是植物細(xì)胞進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器。與傳統(tǒng)的微生物有機生產(chǎn)系統(tǒng)相比，這項技術(shù)有一個顯著的優(yōu)勢：利用太陽能作為能源，在消耗二氧化碳（CO2）的同時生產(chǎn)高價值產(chǎn)物，如此一來，植物就變成了真正的綠色、可持續(xù)和環(huán)保的生產(chǎn)工廠。
目前，Algentech 公司在煙草、大豆、胡蘿卜和水扁豆中進(jìn)行了測試，后續(xù)可轉(zhuǎn)移到廣泛的陸生植物物種中，但也有可能轉(zhuǎn)移到光合作用藻類中，因為這些藻類的細(xì)胞核心也含有葉綠體。
除了擁有較高的產(chǎn)量（可達(dá)到總可溶性蛋白質(zhì)的 70%）之外，Algentech 開發(fā)的技術(shù)還提供了完整轉(zhuǎn)移生物合成途徑的可能性，即在現(xiàn)有技術(shù)僅限于整合少數(shù)基因的情況下實現(xiàn)了 15-20 個基因在植物細(xì)胞中的同時表達(dá)。這項技術(shù)使其成為合成生物學(xué)和綠色化學(xué)在多個領(lǐng)域應(yīng)用的首選方法，包括生產(chǎn)肽、核酸、酶、治療化合物和制****、化妝品等等。
該技術(shù)使得在植物葉綠體中產(chǎn)生高水平的蛋白質(zhì)和核酸成為了可能，同時這也是許多企業(yè)最感興趣的技術(shù)突破，它們一直在尋找可持續(xù)的生物生產(chǎn)平臺。
用植物葉綠體生產(chǎn)高值產(chǎn)物
Algentech 成立于 2009 年，總部位于法國埃弗里，該公司專注開發(fā)用于基因編輯和合成生物學(xué)工具應(yīng)用的尖端技術(shù)，將植物細(xì)胞用作綠色工廠來生產(chǎn)多種高價值產(chǎn)物。
該公司首席執(zhí)行官兼科學(xué)家 Isabelle Malcuit 表示：“我們的目標(biāo)是解決基因組工程領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，并將新方法推向市場。我們有兩項核心技術(shù)，第一，開發(fā)了用于改進(jìn)基于核酸酶的基因組編輯的分子工具，這主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)作物改良。第二，葉綠體技術(shù)，我們開發(fā)了自我復(fù)制的分子，這些分子構(gòu)成了光合細(xì)胞合成生物學(xué)領(lǐng)域的游戲規(guī)則改變者。”
微型染色體擴(kuò)增技術(shù)能夠轉(zhuǎn)移植物葉綠體中高表達(dá)的整個生物合成途徑，單位不整合在葉綠體基因組中，使大多數(shù)順反子單位能夠獨立地高表達(dá)。專有的葉綠體轉(zhuǎn)移技術(shù)依賴于從細(xì)胞核組成性表達(dá)的基因單位，作為無限分子源，可通過獨特的運輸系統(tǒng)靶向這些細(xì)胞器。
Isabelle Malcuit 博士說：“在歐洲工業(yè)生產(chǎn)政策不斷變化的背景下，新開發(fā)的技術(shù)使 Algentech 能夠?qū)⒆约憾ㄎ粸榉▏锷a(chǎn)的參與者，以尊重環(huán)境的可持續(xù)方式，滿足在國家層面加強和多樣化工業(yè)能力的需要?！?/span>
如今，Algentech 公司與工業(yè)界和學(xué)術(shù)界建立了伙伴關(guān)系，借助生物合成平臺生產(chǎn)天然生物農(nóng)****分子和一些酶。公司對擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域和提高生產(chǎn)能力的新合作持開放態(tài)度。例如，以生物方式生產(chǎn)角鯊烯，可用于化妝品行業(yè)并作為疫苗佐劑，或參與生物氫生產(chǎn)的酶，作為參與能源轉(zhuǎn)型的可再生能源來源。
前不久，Algentech 獲得歐洲航天局的資助，用于開展一項名為 “用于太空探索的環(huán)境適應(yīng)性植物” 的項目，該項目旨在研究和培育能夠在高氯酸鹽污染土壤中生長的植物，同時還將測試不同的化合物對植物的電離輻射保護(hù)?？梢灶A(yù)見的是，該項目一旦成功，還將會對地球產(chǎn)生積極的影響，畢竟土壤中的高氯酸鹽污染難以管理，而加強植物修復(fù)可以為目前的處理提供一種更便宜、更清潔的替代方案。
氫是化石燃料中最清潔的替代品之一，而生物質(zhì)是最豐富的可再生資源，這兩者的結(jié)合也是 Algentech 的一個新項目，旨在從植物生物質(zhì)中高效、低成本地生產(chǎn)氫氣。
“我們的技術(shù)將用于生產(chǎn)將植物生物質(zhì)加工成糖所需的酶復(fù)合物，并將其用作生物制氫的底物，我們剛剛申請了由五個歐洲實驗室組成的財團(tuán)的資助。”Malcuit 說道。
對于 Algentech 未來的發(fā)展方向，Malcuit 表示：“我們已經(jīng)在實驗室層面展示了我們技術(shù)的力量，下一步是擴(kuò)大規(guī)模，我們正在積極尋找工業(yè)合作伙伴進(jìn)一步推進(jìn)，但想要實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化至少還得需要三年的開發(fā)時間。”合成生物學(xué)將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)注入新動力
據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織估計，到 2050 年，糧食產(chǎn)量需要增加 70％才能滿足全球人口需求，農(nóng)業(yè)發(fā)展不僅要滿足不斷增長的人口對糧食的需求，還要考慮如何在全球氣候變化和有限土地資源的背景下以可持續(xù)和快速發(fā)展的方式進(jìn)行，如今亟待創(chuàng)新的解決方案來提高糧食生產(chǎn)力和營養(yǎng)質(zhì)量。
近些年，合成生物學(xué)發(fā)展迅速，其以工程化的設(shè)計理念對生物體進(jìn)行有目的的設(shè)計和改造，將為破解人類面臨的資源、環(huán)境等領(lǐng)域重大挑戰(zhàn)提供新的解決方案。合成生物學(xué)的出現(xiàn)成為農(nóng)業(yè)持續(xù)增長的關(guān)鍵和未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，其利用植物作為宿主生產(chǎn)蛋白質(zhì)和高價值化合物，這在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、食品質(zhì)量、實現(xiàn)可持續(xù)、降低生產(chǎn)成本等方面具有很大潛力。
就現(xiàn)階段而言，生物合成途徑的規(guī)模化解析和元件庫建設(shè)、生物途徑高通量組裝和優(yōu)化、人造系統(tǒng)的調(diào)試等方面還處于初級發(fā)展階段，人工智能等自動化技術(shù)參與程度較低。
Algentech 開發(fā)的新技術(shù)給業(yè)界一個很好的啟示，使在植物葉綠體中生產(chǎn)蛋白質(zhì)和核酸成為可能，將植物細(xì)胞變成真正意義上的綠色工廠，用于高產(chǎn)量生產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用中的高價值化合物，包括植物制****、化妝品、酶、生物表面活性劑、沼氣等。
參考資料：[1] Anna Jakubiec, Alena Sarokina, Sandrine Choinard, Florina Vlad, Isabelle Malcuit, Alexander P. Sorokin. Replicating minichromosomes as a new tool for plastid genome engineering. Nature Plants 7, 932–941 (2021).[2] DAI Zhubo, WANG Yong, ZHOU Zhihua, LI Shengying, ZHANG Xueli. Synthetic Biology for Production of Plant-derived Natural Products[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2018, 33(11): 1228-1238[3]https://emag.directindustry.com/algentech-changing-the-game-for-industry-with-synthetic-biology/[4]https://www.genopole.fr/temps-forts/espace-presse/communiques-de-presse/algentech-production-chloroplastes/
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