利用代谢工程与合成生物学技术，创建高效生产天然或非天然化学品的微生物细胞工厂，已经展现出良好的应用前景和巨大的市场潜力。然而，实验室构建的工程菌株大多是基于质粒系统来完成的，通常需要抗生素和诱导剂来保证功能基因和途径的稳定存在，这就为大规模低成本生产带来了挑战。

在染色体水平上进行基因编辑与操作，创建完全没有质粒、基因表达无需诱导的高产工程菌株，对于化学品的生物制造具有重要意义。然而，由于染色体拷贝数少、目标靶点不清楚、基因表达水平低、基因操作相对困难等因素，见诸报道的全染色体编辑的高产工程菌株还很少。

针对这一挑战，研究人员以大宗有机溶剂和潜在生物燃料——正丁醇为目标产品，以大肠杆菌为底盘细胞，创建全染色体编辑的丁醇细胞工厂。该研究的基本策略是将细胞工厂构建分为在染色体上创建生物合成途径与全染色体编辑优化两个部分，通过交互循环操作，不断强化丁醇途径以及底盘细胞对丁醇途径的支持能力，从而提高工程菌株的丁醇生产能力。 

经过以上策略获得的丁醇高产菌株，在简单批式发酵中可以产生20 g/L的丁醇，达到产丁醇大肠杆菌最高水平；对葡萄糖的得率达到了理论最大值的83%，超越了天然的产丁醇梭菌，显示出全染色体编辑代谢工程的潜力。该菌株生产丁醇不需要添加任何抗生素和诱导剂，已经在天津工业生物技术研究所中试平台完成了放大测试，效果良好，具有工业化生产应用的潜力。

该研究使用了一系列的基因组操作技术，包括同源重组、l噬菌体Red重组技术、CRISPR/Cas9、Tn5转座子突变等，在大肠杆菌染色体水平上对38个基因进行了编辑和操作，通过理性和非理性策略相结合，解决了竞争碳流的副产物较多、丁醇生产能量和还原力不足、染色体基因表达强度弱等问题，最终获得了一个具有工业应用潜力的高产丁醇细胞工厂（图），为创建全染色体编辑的化学品高产细胞工厂提供了范例。

该研究得到国家自然科学基金及国家863计划项目等资助，由李寅课题组完成，董红军博士为论文的第一作者，已申请中国专利，并于近日在线发表在代谢工程杂志（Dong et al., A systematically chromosomally engineered Escherichia coli efficiently produces butanol, Metabolic Engineering, 2017, doi: 10.1016/j.ymben.2017.10.014）。

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1096717617301672

图  全染色体编辑的高产丁醇细胞工厂

说明：封面图片来源于网络。