胞质外功能西格玛因子(ECF)已成功用于构建可预测的人工基因电路细菌(如大肠杆菌)，但它们在同一门内物种之间的可转移性仍然未知。现在，来自德国和澳大利亚的一组研究人员最近进行的一项研究探索了苜蓿中华根瘤菌，并鉴定了具有跨物种功能的 ECF 开关，构建了遗传电路，并为通用合成生物学应用提供了工具箱。
在合成生物学领域，创建具有可预测结果的人工基因电路既是挑战，也是必要的。胞质外功能西格玛因子(ECF)因其在细菌启动转录中的关键作用(尤其是在应激条件下)而受到广泛关注。广泛的研究对不同组的 ECF 进行了分类，展示了它们构建具有延迟基因激活的多步遗传回路的潜力。虽然这些电路已在大肠杆菌等经过充分研究的细菌中取得了成功，但 ECF 在同一门内跨物种转移的程度仍不确定。
为了解决这一差距，德国菲利普斯大学合成微生物学中心 (SYNMIKRO) 和生物系的 Anke Becker 教授和她的团队研究了 ECF 开关从大肠杆菌到 α-变形菌中华 根瘤菌的转移。他们的研究发表于 2024 年 2 月 21 日，发表在《BioDesign Research》第 6 卷上。
该团队在苜蓿中华根瘤菌中测试了 20 种不同的 ECF 开关，这些开关之前已在大肠杆菌中证明了功能。这些开关根据其起源进行命名，并具有系统标识符。他们将这些开关引入两种类型的苜蓿中华根瘤菌菌株中——一种是正常的野生型，另一种是没有自己的 ECF 开关的改良菌株。
他们发现，来自大肠杆菌的ECF 转换可以成功转移到苜蓿中华根瘤菌，成功率超过 50%。重要的是，这些开关在两种宿主物种中保留了它们的功能和正交模式。研究发现，转录率、翻译、蛋白质稳定性和宿主特异性等因素会影响苜蓿苜蓿中 ECF 开关的功能。“我们很高兴观察到 ECF 开关在物种之间具有如此高的可转移性和功能性。这表明在一种细菌物种中开发的合成生物学方法有可能应用于广泛的生物体，从而扩大了基因工程的范围，”教授解释道贝克尔热情洋溢。该研究强调了在设计合成生物系统时了解遗传元件和宿主环境的重要性。通过全面研究这些因素，研究人员可以增强合成生物学应用的可预测性和可靠性。
该研究的另一个重要发现是在苜蓿中华根瘤菌和大肠杆菌中观察到的 ECF 开关具有广泛的系统发育接受范围。与某些细菌物种对异源 ECF 开关的接受范围较窄不同，苜蓿中华根瘤菌和大肠杆菌对来自不同细菌类别和物种的开关表现出显着的耐受性。这表明这些物种可以作为合成生物学应用的通用宿主，有可能促进新型生物技术解决方案的开发。
除了实验验证之外，研究人员还利用计算预测来预先选择合适的 ECF/启动子对，以便在细菌宿主之间进行转移。这些预测与实验数据相结合，为设计具有最小串扰和最佳性能的遗传电路提供了宝贵的见解。通过利用计算预测和实验验证，研究人员可以加快设计-构建测试周期并简化复杂遗传电路的开发。
该研究还引入了一套单拷贝质粒载体，用于苜蓿遗传电路的模块化组装。这些载体与分子克隆 (MoClo) DNA 组装方法(一种合成生物学中使用的模块化克隆方法，用于将 DNA 片段精确有效地组装成更大的结构)兼容，为该细菌物种的基因工程提供了标准化平台。“我们的 MoClo 兼容质粒载体为研究人员提供了在苜蓿中华根瘤菌中构建遗传电路的多功能工具包。这些载体简化了组装过程并促进遗传电路的迭代优化，最终加快了合成生物学研究的步伐，”贝克尔。
总体而言，这项研究代表了合成生物学领域向前迈出的重要一步，证明了遗传开关在细菌物种之间的可转移性，并为复杂遗传电路的设计和工程提供了宝贵的见解。随着进一步的研究和发展，这些发现有可能彻底改变各个行业并解决生物技术及其他领域的紧迫挑战。
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