山大科研团队发表人工多倍体大肠杆菌创建新进展

近日，微生物技术国家重点实验室梁泉峰/祁庆生团队在Advanced Science上发表题为“Creating Polyploid Escherichia coli and its Application in Efficient L-threonine Production”的研究论文。梁泉峰教授和祁庆生教授为论文通讯作者，微生物技术国家重点实验室博士研究生王苏蒙为论文第一作者。

基因组的拷贝数问题是生命科学领域的基础问题体系之一。合成生物学的最终目标是创造新的生命体系，而设计高效的微生物细胞工厂用于高附加值的生产是目前合成生物学的研究重点。细胞由于染色体数量的增加，其遗传多样性大大增强，提高了细胞对环境压力的抵抗能力。自然界中多倍体常见于真核生物中，并且构建人工细胞实际应用潜力也是未知的。本研究的目的是设计构建新的原核生物人工多倍体细胞并将其应用到生物化学品的生产。

本研究通过精细调控细胞的分裂，设计创建新的多倍体大肠杆菌（包含2-4条染色体）。ftsZ是控制细胞分裂的主要基因。ftsZ不表达可以阻止细胞分裂，同时仍然允许正在进行的基因组复制完成。然而，长时间抑制分裂会导致细胞周期终止而死亡。相反，过高ftsZ表达使细胞快速分裂而形成小细胞。因此，我们通过构建不同表达强度“CmR-终止子-启动子-RBS” 元件盒，并插入染色体ftsZ基因前精细调控ftsZ的表达水平，最终成功创建了含有2-4条染色体的多倍体大肠杆菌。

该多倍体大肠杆菌的染色体高度稳定，表型发生改变，细胞生长在丰富培养基上具有明显优势，而且多倍体细胞具有较强的耐酸和乙酸盐耐受性。氨基酸代谢、能量代谢、中心碳代谢等途径基因显著上调。进一步将该多倍体应用于苏氨酸的高效生产中，使工程菌的苏氨酸的产量达到了目前为止报道的最高产量160.3g/L。

本研究创建的多倍体大肠杆菌为构建强健高效的细胞工厂底盘细胞，以及探索原核生物进化及染色体功能提供了新的策略和素材。

本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等科研项目的资助。山东大学生命环境研究公共技术平台为本工作提供了重要支持。