用于代谢工程的管道式和隔热型双报告系统：从RNA-seq数据集中预测并量化强终止子

《TRENDS IN Biotechnology》：Pipeline and insulated dual-reporter system to predict and quantify strong terminators from RNA-seq datasets for metabolic engineering

开发基于RNA-seq数据和双报告器系统（IDRS）的基因组广谱终止子预测方法，在模式菌大肠杆菌和非模式菌酿酒酵母中验证了48和41个高效终止子，发现上游序列长度影响终止效率且存在跨物种兼容性，成功应用于提高丁二醇产量，为微生物工厂构建提供标准化工具库。

　　

技术成熟度

为了快速准确地识别强终止子，我们开发了一种方法，可以有效地预测和量化全基因组范围内各种终止子的终止效率。该方法已在模式细菌大肠杆菌（Escherichia coli）和非模式细菌运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）中得到了验证。这些被表征的终止子可以用于构建代谢途径，以提高酶的表达水平和生化产物的产量。本研究提出了一种有效的策略，用于丰富生物组件的终止子库，从而加速微生物细胞工厂的开发，并达到4级技术成熟度（TRL）。为了提高成熟度，必须考虑不同微生物（如枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis）在转录和翻译机制上的差异，以提高与宿主微生物的兼容性。例如，启动子效率可能会降低，核糖体结合位点（RBS）可能无法启动翻译，所使用的荧光蛋白基因也可能无法有效翻译。目前的研究重点在于开发一个准确的模型，将基因组与环境联系起来，以预测特定微生物在不同条件下的终止效率，以及在不同动态环境条件下各种生物体的标准设计原则。对合成生物学工具标准化的政策支持（例如，建立通用终止子库）和试点规模的生物制造试验将加速合成生物学向绿色化工和制药生产的转化。

亮点

我们开发了一种基于RNA-Seq数据集的全基因组流程，用于预测强终止子，在非模式乙醇生产细菌运动发酵单胞菌Zymomonas mobilis和模式微生物大肠杆菌Escherichia coli中分别识别出了48个和272个强终止子。

我们开发了一种隔离的双报告系统（IDRS），以准确量化终止效率。

Z. mobilis和E. coli的终止子表现出很高的交叉兼容性，其效率受到上游序列的影响。

适当的终止子有助于提高生化产量，推动高效微生物细胞工厂的发展。

摘要

遗传调控元件（尤其是来自非模式微生物的终止子）的有限可用性阻碍了精确的基因调控和高效微生物细胞工厂的构建。为了解决这个问题，我们通过将RNA-seq数据集与隔离的双报告系统相结合，开发了一种新的策略来预测和量化全基因组范围内的强终止子。我们分别在运动发酵单胞菌Zymomonas mobilis和大肠杆菌Escherichia coli中验证了48个和41个强终止子。我们的结果表明，这些终止子在两种细菌之间存在显著的物种间兼容性，并且上游序列的长度会影响Z. mobilis中的终止效率。我们进一步应用选定的强终止子来提高Z. mobilis中的2,3-丁二醇产量。因此，这项工作建立了一种用于全基因组预测、定量评估和跨物种评价细菌终止子的流程。它为扩展原核生物终止子库和设计具有精细转录控制的高效微生物细胞工厂提供了宝贵的资源。

图形摘要