用于快速生物制造的快速应变工程
使用工程微生物作为微型工厂，为世界提供了稳定的救生药物来源，彻底改变了食品工业，并使我们能够生产以前由石油制成的有价值化学品的可持续版本。
但当今市场上每种生物制造产品的背后都是多年工作的投资和数百万美元的研发资金。伯克利实验室的科学家希望通过加速和简化工程微生物的过程来帮助新兴行业达到新的高度，以商业化的效率生产重要的化合物。
由资深科学家 Aindrila Mukhopadhyay 领导的团队开发了一种工作流程，将 CRISPR 基因编辑与一套微生物基因表达和酶活性的计算模型相结合，可用于预测必要的基因编辑。他们的最新工作最近发表在《Cell Reports》上。
“大部分应变设计仍然基于反复试验，既费力又耗时。我们已经证明，将专注于特定基因和蛋白质的靶向方法与模拟整个基因组的方法相结合，可以将产品开发周期从几年缩短到几个月。”联合生物能源研究所 (EI) 的主持工程，这是一个由伯克利实验室生物科学领域领导的能源部生物能源研究中心。
该工作流程称为产品底物配对 (PSP)，已经显示出巨大的前景用于将常见细菌食物来源转化为目标分子的工程菌株。但为了证明该方法的真正威力，他们的新工作集中于开发一种可以以木质素(一种坚韧的纤维植物组织)衍生的分子为食的菌株。木质素是喂养生物制造微生物的理想环保前体，因为每年收获后作物和景观清理产生的数亿吨植物废物中富含木质素。目前，大多数生物制造工艺依赖于来自特殊种植作物(称为原料)的简单糖分子，但通过对现有的丰富木质素进行升级改造，EI 科学家希望使生物基制造更加可再生和碳中和。
研究小组从一种能够天然以木质素衍生物为食的细菌菌株开始，然后使用 PSP 来研究需要删除哪些天然基因、需要插入哪些非天然基因以及需要什么培养条件。细菌产生高水平的非天然化合物。评估了数千种计算设计，最终其中两种在实验室进行了测试。在这种情况下，他们对细菌进行了编辑，以生产靛蓝染料，这是一种具有多种用途的蓝色染料，也可以作为其他所需分子的良好替代品。通过对 CRISPR 修饰菌株进行多轮计算机建模以及现实世界的培养和分析，作者展示了一种可推广的工作流程，消除了通过反复试验进行菌株设计的束缚。
“特殊的酱汁来自于如何将完善的工具集成在一起，形成适用于任何微生物和任何生物过程的工作流程，”联合第一作者、EI 主机工程组的计算研究科学家 Deepanwita Banerjee 说。“我们的范式转变论文展示了一种逻辑且有效的构建和测试菌株的方法，该方法基于细胞在开发周期的每一步的行为。这是朝着对细胞功能的预测性理解迈出的一大步。”
该团队还利用伯克利实验室的专业知识和仪器，通过许多不同的标准来充分描述他们的微生物工厂。Christopher J. Petzold 和 EI 的功能基因组学小组利用高通量方法快速表征菌株如何为此新目的修改其蛋白质表达。生物科学领域的高级科学家 Carolyn Larabell 和她的团队在先进光源下进行了软 X 射线断层扫描，以提供超高分辨率图像，帮助识别哪些细胞最适合生物制造。最后，Blake Simmons 和 EI 解构部门的科学家提供了指导和富含木质素的高粱样品，以展示这种生物制造过程在现实条件下的表现。
经过大约一年的工作，团队设计出产量高达 77% 的菌株。
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