在自然栖息地,细菌大肠杆菌面临不断变化的复合营养素。但是在实验室条件下,也可以真正的专家,例如生长在一个像葡萄糖碳源。要做到这一点,他们的代谢网络必须从头合成所有细胞的构建块。这个任务需要数以百计的酶催化反应在代谢网络工作在正确的步伐,并没有反应不小心低于临界阈值。否则,一个网络中的瓶颈可能产生广泛的后果,最终停止细胞增长。

了解大肠杆菌完成这个任务,研究汉斯·马克斯普朗克研究所的地球微生物学应用CRISPR干扰(CRISPRi)技术。诱导击倒的每个蛋白质的代谢网络大肠杆菌,他们创造了一个CRISPRi库7177株。深度测序的图书馆在汇集竞争分析允许研究人员追踪每个CRISPRi应变14个小时的健身。这个大规模并行CRISPR屏幕的结果有些令人惊讶。虽然只有7个基因的击倒——要点的代谢网络,像生物合成的DNA合成deoxynucleotides——直接和强烈的健身缺陷引起的,数以百计的其他可拆卸的几乎没有影响。

汉斯·链接解释说:“我们的结果表明大肠杆菌细胞完成代谢非常高的鲁棒性。一般来说,鲁棒性使生物体生存尽管内部和外部扰动,有不同的机制,调解,如反馈机制或冗余。在这种背景下,生物总是在取舍的情况下:他们要么表达酶浓度高,这是昂贵的;或表达低酶浓度可以限制代谢能力。美国研究人员,鲁棒性并不总是一个受欢迎的特性在细菌中,例如在生物技术应用的过程中,如果我们想工程师代谢与细菌过度生产的化学物质。因此重要的是要了解大肠杆菌完成了这个任务。”

要回答这个问题,研究小组测量了蛋白质组和代谢组的30 CRISPRi菌株。在某些菌株蛋白质组反应显示机制,积极缓冲CRISPRi击倒。例如,击倒的同型半胱氨酸transmethylase(给予)蛋氨酸通路引起了补偿性upregulation蛋氨酸其他酶的途径。换句话说,大肠杆菌细胞觉得降价导致甲硫氨酸生物合成的瓶颈,然后安装一个非常精确和当地响应蛋氨酸的途径。其他30 CRISPRi菌株显示类似的缓冲机制,令人惊讶的是具体的,但所有的代谢途径是否配备这样的精确和局部缓冲机制仍然是开放的。因此,实验室的联系目前创新新的质谱方法来探测完成完整的CRISPRi代谢库。

这种综合方法为工业的发展创造新的可能有用的微生物,正如Hannes链接所指出的那样:“在未来,我们想使用这些数据构建代谢模型,动态和预测。我们使用一个非常小的动态模型在当前的研究中,但建设更大的模型仍然是一个巨大的挑战。这种模式允许我们工程师大肠杆菌细胞停止生长在一个特定的信号,然后集中所有的合成代谢资源所需的化学物质。这种控制解耦的增长从生产过剩将打破新地面在代谢工程和工业生物技术打开新的应用程序。”

参考:Donati年代,王桂萍M, Pahl V, et al . Multi-omics分析CRISPRi-Knockdowns缓冲减少酶的识别机制大肠杆菌新陈代谢。电池系统。2020年。doi:10.1016 / j.cels.2020.10.011。

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