适应性进化提高工业菌株对复杂环境的抗性

 

 

高强度工业环境下抗逆性差、工程 放大效率低成为了限制了微生物细胞工厂生产 性能的关键因素。工业生产中高渗透压、高底 物/产物浓度胁迫以及高酸碱物质浓度等因素， 影响并扰动细胞繁衍、生产能力及环境耐受力， 降低细胞生产水平。因此，改善并解决细胞在工业环境扰动下的生产性能问题对提高工业环境下细胞工厂生产效率具有重要意义。适应性进化是目前受到广泛关注的微生物改良技术， 能够在较短的时间内，根据人工施加的定向选择压力，获得适应特定条件的耐受工业环境的 有效细胞，从而提高微生物生产性能。

 

微生物适应性进化 (microbial adaptive  evolution)是针对细胞的工业环境不适应性， 人为模拟自然选择，优化微生物对应激源的耐受性，累积有益突变应对选择压力，获得驯化菌株的生物工程技术。

1.适应性进化为模拟自然选择进化，条件比较温和（和常规诱变相比）。

2.微生物的适应性进化通过基因组的全局进化，获得与环境相适应且具有鲁棒性能的工程菌株。该类进化可以在单一宿主细胞中实现多个不同性状的同时改造，涉及对数个、数十个基因的突变或修饰，从而应对多重胁迫响应（区别于分子水平上的定向进化）。

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适应性进化应用

1. 优化微生物生长速率

 微生物代谢过程中因受到环境压力，发生基因扰动，干扰其生理机能，导致生长的不适应，降低生长速率，这种不适的生理状态可通 过中枢代谢的适应性进化得到恢复。生长速率往往是最方便，最直观的响应指标。很多情况生长速率的提升对菌体生产性能是有好处的。

将菌体在并不适合的一个培养环境中（特殊底物，高渗透压，pH值等环境），反复挑选生长较快的，从而实现菌株的进化。比如：用于合成生物学的工程菌毕赤酵母，在利用二氧化碳作为碳源时，生长缓慢，就可以通过适应性进化，获得较优菌株。

2. 提升细胞对底物和产物耐受性

发酵工业中，生产菌株往往受到底物和产物的抑制，而这些物质不可避免的需要存在发酵液中。比如乙醇生产中，乙醇浓度对菌体的危害，通过适应性进化可以获得对乙醇耐受性菌株，从而提高乙醇的产量。

3. 平衡细胞生长与生产

在工业生产环境中，细胞的生长与生产不平衡，导致代谢流分散是限制其生产能力的另一重要因素。通过细胞的适应性进化，解除生产阻滞，最大限度地平衡生长与生产，是提升微生物的工业生产效率的重要手段。

平衡细胞生长与生产的前提是需要能有一个直观的监测生产指标的方法。从而可以实现以生产指标为目的的适应性进化，而不是以生长速率为指标。

参考文献：

汤晓玲 等/基于工业环境扰动的微生物适应性进化

往期精选

 

 

1. 适应性实验‍室进化技术在微生物育种中的应用进展

2.酶蛋白的人工设计和定向进化技术

3.高通量筛选方法的建立及应用