一种新方法可利用大肠杆菌生产经甲基化修饰的DNA，这些DNA能被受体微生物识别并融合到自身基因组中，从而为生物燃料的生产定制所需的微生物。（图片来源：美国橡树岭国家实验室）
针对微生物不易接受外源基因的情况，美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的科学家们展示了一种将基因插入微生物的新方法，其目标是定向进化分解植物以获取生物能源的微生物。
微生物是地球上最丰富的生命形式。它们影响植物的生长，帮助消化肠道中的食物，转化环境中的污染物，在日常生活的方方面面都发挥着作用。
美国能源部生物能源创新中心（CBI）的研究人员正在利用微生物，将玉米秸秆、柳枝稷和杨树等非粮食生物质转化为生物燃料和生物产品。为了提高转化效率，研究人员需要能够分解纤维素并将其发酵成生物燃料的微生物。这种方法被称为联合生物处理（CBP），可提高生物燃料生产的经济效益。
尽管CBI团队已经证明了联合生物处理的可行性，但他们需要更合适的微生物来提高生物燃料产量。目标很明确：微生物能以纤维素为碳源，并在高温厌氧环境中生产生物燃料。
对这些特殊的微生物增强或引入目标特性的基因可以说是颇具挑战性。因为很少有工具可以用来设计非模式微生物，并且这些微生物已进化出防御机制，可以阻止外源基因的插入。
伪造特征
这些防御机制可以防止微生物不小心复制外来的DNA，从而抵御病毒。为了将自己的DNA与其他微生物区分开来，每种微生物都会在一些特定的DNA序列中插入一个甲基。这些甲基化序列对生物体来说是独一无二的，就像一个特征。一种叫做限制性内切酶的特殊酶会在细胞中巡逻，并切掉任何在特征序列上缺少甲基的DNA。
Guss和他的团队展示了一种方法，可利用该防御系统诱导微生物接受经基因工程改造外源DNA。
通过两种测序方法，科学家们首先确定了一种微生物的特征序列和使其甲基化的酶，然后在大肠杆菌中表达这种甲基转移酶。有了正确的甲基转移酶，大肠杆菌就能复制出具有预期甲基化模式的DNA，从而让目标微生物接受新的DNA并整合到自身基因组中。
研究人员最近公布了他们的方法和实验结果，证实了他们向Clostridium thermocellum atcc27405（一种CBP生物，一直难以转化）中插入的基因实现了预期的功能。他们在其他10种微生物身上也取得了类似的成功，而且数量还在不断增加。
Guss预计这种快速驯化方法在应用和基础研究方面有广阔前景，尤其是在基因功能鉴定方面。通过这种方法，科学家可以敲除或过表达对微生物感兴趣的基因，以确定这将如何影响微生物的特性。除生物能源外，该方法还可用于生物医学等基础研究。
CBI首席科学家Brian Davison说：“Adam和他的团队所做的工作消除了转化这些生物体的主要障碍之一。这打开了一扇门，让这些具有难以复制特性的微生物能够发挥我们想要的作用，比如提高生物燃料产量。”
翻译：徐相辉
审校：于颖卓
作者：Kimberly A Askey
引进来源：美国橡树岭国家实验室
引进链接：https://phys.org/news/2019-09-method-customize-microbes-biofuel-production.html
