利用特殊的伴侣培育耐寒的大肠杆菌

客人的博客

本文由来自IISER Bhopal的iGEM团队成员Sreepadmanabh M贡献。

继2018年iGEM首次亮相(以甲烷生物传感器原型为中心)之后,IISER Bhopal今年带着20名兴奋的本科生组成的新团队重返SynBio舞台。IISER-B团队对2019年iGEM的想法是,将细菌从最适宜的温度范围内去除,让它们在次适宜的温度范围内更好地生长,这甚至可以让你的常规温度大肠杆菌在严寒中茁壮成长。


博帕尔标志

由于我们的目标是诱导对寒冷的耐受性,我们决定集中研究一类由嗜冷细菌表达的特殊酶。这些细菌居住在低温环境中,嗜冷酶帮助它们在严寒条件下生存。为了理解它们独特的重要性,让我们从一些基本知识开始。

嗜温菌与极端微生物

中温微生物是你经常在温和的温度下生长的微生物(通常定义在相当寒冷的20°C到绝对不舒服的45°C之间)。它们更有冒险精神的表亲是极端微生物——在地球上一些最恶劣的环境中——腐蚀性的pH值范围、毁灭性的压力、近乎融化的温度、大量的辐射或极冷的条件下,这些传奇生物不仅存活下来,而且茁壮成长。然而,许多允许极端微生物在这种条件下生存的详细机制目前还不清楚,毫无疑问,在我们完全理解和欣赏它们的生物学特性之前,还需要相当长的一段时间。

嗜冷酶的重要性

从工业角度来看,从嗜冷菌中获得的酶可以用于多种工艺。例如,食品加工业使用嗜冷酶进行牛奶加工、果汁澄清、肉类软化和低聚糖合成。使用冷活性嗜冷酶的一个主要动机是,在低温条件下,原料的降解速度要慢得多,低温条件降低了微生物污染的可能性。此外,这些酶的高活性意味着即使是一分钟的量也可以显著减少给定过程的操作时间。这些对任何食品加工业都是非常有用的好处,因为它可以潜在地帮助减少腐败等附带损失,并提高生产效率。

蛋白质在最佳和极端温度下折叠

寻找宿主的重组嗜冷酶

为了工业或研究目的,重组蛋白的表达需要稳定的宿主细胞(例如,最简单的例子是转化的嗜中温细胞大肠杆菌,携带表达蛋白质的质粒的)。嗜中温微生物作为宿主系统是非常可取的(和成功的),因为它们的生物学被很好地研究,并且它们很容易在标准条件下维持。然而,嗜冷酶是许多与常规的嗜中温系统不相容的蛋白质之一。

蛋白质在次优温度下折叠

这背后的原因并不难猜测。把它想象成不同条件下的冬季轮胎:冬季轮胎的橡胶弹性更强,在寒冷的天气里抓地力更好,但在温暖的天气里很快就会磨损。嗜冷酶被迫在嗜中温宿主系统中表达时面临非常相似的问题。所谓的“正常”生长温度,比如37°C左右,与它们的自然生长温度~0°C相差甚远,而0°C极大地影响了它们的稳定折叠和高效功能。但是如果把嗜中温宿主放在0°C呢?这也行不通——大多数嗜温系统要么会消亡,要么会增长得如此低效,以至于没有哪个工业企业会认为它们值得这么麻烦。

进入埃尔莎:大肠杆菌学习不适应

为了解决这一僵局,我们的团队决定创建一个杂交系统,在这个系统中,我们可以将耐寒诱导基因整合到常规的嗜中温宿主系统中。这将使宿主能够在适合表达嗜冷蛋白的低温下生长。我们想要克服的主要问题是低温下蛋白质折叠效率低下,因为中温性伴侣在次优条件下不能很好地发挥作用。这意味着重组蛋白可以聚集或沉淀为不溶颗粒。

为了克服这一问题,我们设计了一个含有耐寒伴侣的质粒(Cpn 10/60)Oleispira南极洲,p . haloplanktis触发因素),这将允许稳定折叠和表达重组嗜冷蛋白。如下图所示,E杆菌表达伴侣蛋白导致的生长水平高于E杆菌表达空载体的应变。就这样艾尔莎诞生了——我们快乐的小耐寒者大肠杆菌!此外,我们还在努力扩大我们的策略的适用性pMBP-LbCas12apC013-Twinstrep-SUMO-huLwCas13a这将使Cas在低温条件下的稳定表达成为可能,从而使CRISPR-Cas介导的对嗜冷系统的高效编辑以及对嗜冷重组蛋白的工程和调控成为可能。

含耐寒伴侣菌的Ecoli生长曲线

飞向无限,飞向远方!

本着iGEM强调整体、以社区为中心的科学的精神,我们的团队一直与来自工业和商业经营者、政府机构、活跃的研究人员以及其他iGEM团队的各种利益相关者保持联系。我们是2019全印度iGEM会议的东道主,它为所有印度iGEM团队提供了一个与行业人员互动和相互头脑风暴的平台。该活动还举办了一个研讨会,主题是“提高科学再现性的工具”Benoit Giquel他是来自Addgene的外延科学家。这次演讲强调了试剂库的重要性以及它们提供的无数设施,这些设施有助于培育一个更富有成效和协作性的研究环境。

我们还参与了广泛的外展项目,通过夏季讲习班和互动讨论,鼓励和鼓励学生的科学创新精神。这些努力不仅是对传统学术环境的可喜转变,而且是一个令人大开眼界的经历,有助于培养对实验室科学的社会分支的微妙理解,以及如何最好地利用它来促进和谐进步。

我们总是很高兴与潜在的合作者和感兴趣的观众接触。请访问我们的团队维基或与我们联络igemiiserb@gmail.com


非常感谢来自IISER博帕尔的客座博主Sreepadmanabh M。所有插图/人物都由我们的团队成员Kallol Mozumdar设计。

Sreepadmanabh M头像Sreepadmanabh M是IISER Bhopal团队的一名成员,该团队在2019年iGEM竞赛中获得了本科生类别的银牌。他对科学写作和科学传播有着积极的兴趣新手(虽然不常见)写博客

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主题:合成生物学,其他

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