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天木生物DREM cell成功助力高产赤藓糖醇的菌株的高通量筛选

来源:   作者: 发布日期:2023-08-02 访问量:1178

     本期为您推荐清华大学张翀教授团队发表在Biochemical Engineering Journal上的一篇文章:Establishment of picodroplet-based co-culture system to improve erythritol production in Yarrowia lipolytica. 该研究基于液滴微流控筛选平台(DREM cell),结合荧光激活液滴分选技术与基于转录因子的生物传感器,建立了一种有效提高解脂耶氏酵母合成赤藓糖醇的FADS-TF共培养流水线,可以完成对高产赤藓糖醇的菌株的高通量筛选。

     赤藓糖醇是一种四碳多元醇,在食品工业中被广泛用作低热量的生物甜味剂。此外,人体内血浆中的赤藓糖醇水平升高可预测内脏脂肪的增加和II型糖尿病的发展。目前,商业中所用的赤藓糖醇主要通过溶脂亚罗菌中的磷酸戊糖途径(PPP)生物合成。然而,由于对微生物的生物合成过程和调控网络的细节尚未完全了解,因此对赤藓糖醇高产菌株进行合理的工程设计耗时又耗力。随机诱变为大规模寻找目标遗传性状提供可能性,而由此产生的巨大的遗传数据库远远超过最先进的液体处理机器人的筛选能力。因此,迫切需要一种能够支持菌株发育过程的高通量筛选方法。

     荧光激活液滴分选(Fluorescence-activated droplet sorting ,FADS)是高通量鉴定和分离具有优良性状稀有菌株的关键技术,近年来,基于FADS的方法已经成功地筛选出高产分泌酶和小分子的菌株。同时基于转录因子(TF)的全细胞生物传感器的开发为表征和筛选菌株提供更为强大工具。因此,液滴微流控技术在高效筛选高产赤藓糖醇解脂耶氏酵母方面具有广阔的应用前景。

     在本研究中,研究团队利用响应赤藓糖醇的转录调控因子,设计了一种新型生物传感器,实时监测赤藓糖醇的浓度。结合FADS,构建FADS-TF共表达体系(图1),利用液滴微流控的超高通量筛选高产赤藓糖醇的解脂耶氏酵母。该筛选流水线包括三个液滴操作步骤:酵母单细胞液滴的产生和孵育,微注入基于荧光的赤藓糖醇生物传感大肠杆菌,分选出荧光信号最高的1‰的液滴(图2)。基于微液滴的工作流程,对液滴进行了两阶段的温度和pH控制策略,以分离赤藓糖醇的生产和检测过程。然后利用pH敏感的红霉素消除了生物传感器的背景表达,最终建立了完整的共培养筛选系统(图3)。

     从第四轮突变文库中成功筛选出最佳解脂耶氏酵母S4-9,经114h发酵后,其赤藓糖醇产量为231.2g/L。与野生型相比,在5L生物反应器中,赤藓糖醇产量和生产率分别提高了16.97%和26.09%(图4)。这些结果表明,随着额外的生物传感器的出现,FADS-TF在细胞外产物的高通量筛选方面具有巨大的潜力。

Fig. 1. The working mechanism of the biosensor for sensing erythritol.