人工细胞内源模块与外源模块适配机制的研究

The great achievements in the production of artemisinic acid and taxadiene by designing and synthesizing artificial cells formed the frontier area of biochemical engineering-synthetic biology. During the construction of artificial cells, the adaptation between endogenous and exogenous modules is a key factor that affects the productivity of artificial cells. However, the adaptation mechanism between endogenous and exogenous modules is still ambiguous which seriously restricted the rationally design and regulation of constructing artificial cells. We take the construction of alkane-produced artificial cells as an example to investigate the adaptation differences between endogenous and exogenous modules by systematic analysis. The key factors in adaptation of modules were explored at transcript, protein, and metabolite levels. The reasons for the different adaptation were further analyzed, revealing the potential adaptation mechanism between modules. This study will provide new ideas for exploring the perfect adaptation between modules, and lay theoretical foundations for the maximization of metabolic flux in target products by synthetic biological technology.

设计合成外源功能模块、利用人工细胞生产青蒿酸和紫杉二烯等产品所取得巨大成功，形成了生物化工的前沿领域-合成生物技术。在人工细胞的构建中，内源模块与外源功能模块的适配性是影响人工细胞生产能力的至关重要因素。然而，内源模块与外源模块间的适配机理尚不清晰，严重制约了对构建人工细胞的理性设计和调控。申请者以构建人工细胞产烃为例，尝试利用系统定量分析技术，解析人工细胞内源模块与外源功能模块间的适配差异。从转录、蛋白、代谢三个水平比较分析产烃能力不同的人工细胞，逐层探索人工细胞内源模块与外源模块间相互影响的关键因素，揭示造成内外源模块适配差异的原因，探明内外源模块间的适配机制。该研究为探索人工细胞内源模块与外源功能模块的理性适配提供新思路，为解决合成生物技术面临的目标产品合成途径的代谢流最大化问题奠定理论基础。

本项目针对人工细胞内源模块与外源模块的适配问题，以大肠杆菌合成脂肪烃/醇为例，从表达模块构建和机理分析等方面对于适配现象以及适配机理开展研究。分别研究了内源脂肪醇合成模块、内源脂肪酸合成与降解模块、脂质降解模块、内源乙酸合成模块等与外源脂肪烃合成模块的适配机制。研究发现，内源脂肪醇合成途径可以通过提供有毒中间代谢物的动态平衡，为原本为竞争关系的外源脂肪烃合成产生协同促进作用。适当增强负责脂肪酸碳链延长过程中还反应的酶（FabG和FabI）、解脂酶（LipA）和脂酰-ACP合成酶（AasS）的表达，可以有效的与脂肪烃合成模块进行适配，有助于提高脂肪烃的产量。此外，在利用人工大肠杆菌合成脂肪醇的研究中，对内源脂酰ACP水解模块与外源脂肪酸氧化模块、脂肪醛合成模块与脂肪醛还原模块、下游脂肪醇合成模块与上游脂肪酸合成模块分别进行适配研究，最终将大肠杆菌中总脂肪醇的产量从7.4 mg/L提高到101.5 mg/L。.研究工作圆满达到预期目标，研究内容和研究计划按原计划进行，基本未作调整，仅在原计划的基础上增加了内源脂肪酸合成模块与外源奇数链脂肪醇合成的适配的工作。.项目执行期间已经发表SCI论文1篇，正在投稿的SCI论文1篇；申请专利2项。协助培养硕士生2名，博士生1名。