隨著(zhù)生物學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的野生新菌株被發(fā)現與應用。隨著(zhù)基因工程和代謝工程等合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，重組菌的構建和開(kāi)發(fā)越來(lái)越高效，重組菌的應用也越來(lái)越廣泛，更是有成為工業(yè)生物技術(shù)的主導趨勢。
基因工程是指將確定性能的外源基因與特定載體在體外重組，然后轉入目標菌株，使其表達出新產(chǎn)物或新性狀。代謝工程是利用基因工程技術(shù)或其他物理化學(xué)方法對菌株的代謝途徑、通量進(jìn)行擴展或增強、阻斷或減小，甚至構建新代謝途徑的改造，從而提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)量與效率，或合成新的代謝產(chǎn)物。重組菌分為兩種類(lèi)型，一種是不含外源載體，基因組直接攜帶外源基因，這種表達一般相對穩定，但因為其產(chǎn)生的遺傳系統容易在重復DNA序列中觸發(fā)同源重組而失效導致不穩定，且這種方式導入的外源基因拷貝數少。另一種是含有外源載體（通常是質(zhì)粒載體），具有很高的拷貝數所以目的基因可以通過(guò)載體攜帶實(shí)現高表達，但同時(shí)會(huì )產(chǎn)生質(zhì)粒穩定性問(wèn)題。所以重組菌的穩定性是菌株改造與工業(yè)放大過(guò)程中需要直面的問(wèn)題。
重組菌的不穩定性又分為結構不穩定性和質(zhì)粒分離不穩定性。基因組重復序列之間、質(zhì)粒載體位點(diǎn)之間的同源重組，宿主染色體及質(zhì)粒載體上IS因子和轉座子等轉座元件的插入作用、鄰位缺失或DNA重排，都有可能使基因組外源基因及質(zhì)粒載體產(chǎn)生自發(fā)突變，從而導致結構不穩定性。此外，受體細胞的限制修飾系統對外源重組DNA分子的降解，外源基因過(guò)量表達時(shí)能量和物質(zhì)的匱乏以及表達產(chǎn)物的毒性作用誘導受體細胞產(chǎn)生應激反應，激活核酸酶和蛋白酶對重組DNA分子的降解，也都會(huì )導致結構不穩定性。消除結構不穩定性的可用策略就是選用重組缺陷菌株作為宿主菌。
王瑩等(1)通過(guò)將布魯菌的per基因敲除，同時(shí)將帶有同源片段的打靶載體pMD19-T:kan電轉化布魯菌，利用體內同源重組的方法，將kan抗性基因通過(guò)per兩側同源序列置換染色體上的待缺失區域，獲得布魯菌per基因重組菌，該重組菌能夠穩定傳代培養至10代，Kan基因序列與per突變株第1代及第10代測序結果比對，同源性為100%，PCR產(chǎn)物電泳結果證明突變株培養1-10代均無(wú)回復突變。其結果證明，利用體內同源重組方法構建的布魯菌per基因突變株具有較好的遺傳穩定性。
質(zhì)粒的分離不穩定性是指在細胞分裂過(guò)程中的質(zhì)粒的隨機分配，與帶質(zhì)粒少的下代細胞生長(cháng)負擔反而輕，導致質(zhì)粒因傳代丟失。質(zhì)粒拷貝分配到子細胞中的途徑可分為主動(dòng)分配和隨機分配兩種方式。主動(dòng)分配存在著(zhù)有效的質(zhì)粒拷貝數控制系統，從而保證了質(zhì)粒的適度穩定性。隨機分配過(guò)程中質(zhì)粒分離不穩定性取決于無(wú)質(zhì)粒細胞的產(chǎn)生概率和細胞的比生長(cháng)速率。
鮑張杰等(2)先分別構建重組質(zhì)粒pETDuet-1-fdr-fdx及pACYCDuet-1-vdh，再將這兩個(gè)相容性質(zhì)粒同時(shí)轉入大腸桿菌BL21(DE3)中，得到具有羥基化酶體系活性的重組大腸桿菌。采用IPTG對重組大腸桿菌進(jìn)行誘導，使其表達目的蛋白，利用SDS-PAGE檢測其蛋白大小及可溶性。采用液體傳代的方法研究質(zhì)粒穩定性，初步得到重組大腸桿菌傳代培養30代，質(zhì)粒穩定性高達99%，連續傳代培養到50代，質(zhì)粒穩定性92%。證明該重組大腸桿菌具有較好的穩定性。
郭晉霞等(3)利用畢赤酵母中的看家基因GAP（以單拷貝的形式存在）為內參，采用雙標準曲線(xiàn)方法，提出了一種對重組畢赤酵母重組菌pPICZ-DT30/GS115（表達人胰島素前體(PI-DT30)）中外源基因DT30拷貝數的快速、準確的熒光定量PCR檢測方法。根據標準曲線(xiàn)和值計算外源基因DT30在畢赤酵母重組菌中的拷貝數為7個(gè)。外源基因拷貝數是監測目標蛋白表達量能力的一個(gè)重要指標，對畢赤酵母重組菌穩定性的考察有重要意義。
重組菌反應工程的前沿研究近年來(lái)也取得了些突破性的進(jìn)展。如Du Fei(4)等開(kāi)發(fā)了一種快速構建高性能重組菌的染色體多拷貝整合策略，首先利用非重復序列編碼計算器得到非重復序列作為表達元件，在此基礎上開(kāi)發(fā)了對不同重組菌具有普適性的多拷貝整合方法；通過(guò)機器學(xué)習理性計算代謝途徑基因的最佳拷貝數組合，構建了具有高遺傳穩定性的解脂EPA（二十碳五烯酸）重組菌以及大腸桿菌（番茄紅素）重組菌。相關(guān)實(shí)驗結果展示了該策略在工業(yè)微生物中的廣泛適用性以及潛在應用價(jià)值。
綜上，影響重組菌穩定性的因素可以歸結為重組策略及宿主菌因素與質(zhì)粒自身因素。重組菌的穩定性也關(guān)乎工藝研究的放大過(guò)程。培養過(guò)程中的比生長(cháng)速率及外部環(huán)境，包括生長(cháng)發(fā)酵時(shí)的培養條件，對重組菌的穩定性有影響，還有細胞內外源產(chǎn)物的積累也會(huì )對其穩定性有一定影響。這一塊的理解及應對策略有待下回分解。
參考文獻：
1. 王瑩, 安瀟瀟, 王健, 王芃, 黃芳, 周建光, et al. per基因突變對布魯菌穩定性的影響. 生物技術(shù)通訊. 2016;27(2):204-7.
2. 鮑張杰, 陳向東, 汪輝, 任聰, 練家惠. 具有羥基化酶體系活性的重組大腸桿菌的構建. 藥物生物技術(shù). 2019(2):95-9.
3. 郭晉霞, 何云鳳, 范開(kāi). 熒光定量PCR法檢測重組畢赤酵母工程菌的外源基因拷貝數. 重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版. 2016;30(2):77-83.
4. Du F, Li Z, Li X, Zhang D, Zhang F, Zhang Z, et al. Optimizing multicopy chromosomal integration for stable high-performing strains. Nature Chemical Biology. 2024.
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