《Biotechnology Advances》：Bacterial conjugation and its deployment for diverse biotechnology applications
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本文综述了细菌接合在合成生物学中的应用，探讨其机制、分类及在微生物工程、环境修复和药物开发中的最新进展，并提出标准化操作指南。
金敏在（Min Jae Kim）|南成贤（Sung-Hyun Nam）|叶大烨（Dae-yeol Ye）|李成元（Seungwon Lee）|郑圭烨（Gyoo Yeol Jung）|林贤圭（Hyun Gyu Lim）
韩国庆北道浦项市南区青岩路77号，浦项科技大学化学工程系，邮编37673
摘要
共轭作用作为一种有吸引力的工具，在合成生物学中发挥了重要作用，它能够将设计的基因电路同时传递给多种微生物，而无需进行分离。通过对共轭机制的深入理解，这些系统已被重新利用来传递基因电路和代谢途径。通过选择合适的供体菌株和共轭系统，研究人员现在可以灵活地确定需要改造或控制的目标物种范围。此外，共轭作用与多种合成生物学策略的整合开始扩展这一研究领域，应用于新型微生物底盘的鉴定、菌群监测、生物修复和选择性杀灭等方面。在这篇综述中，我们重点介绍了共轭作用与合成生物学交叉领域的最新进展，并为希望利用共轭转移的研究人员提供了实用指南。
引言
细菌通过一种称为水平基因转移（HGT）的过程，自然地从非亲本细胞交换遗传物质（Arnold等人，2022年；Burmeister，2015年；Moura de Sousa等人，2023年）。这些基因通常与碳利用、抗生素抗性和毒力有关，从而促进细菌更好地适应周围环境（Chu等人，2018年；Deng等人，2019年；Tao等人，2022年）。细菌HGT的常见机制包括转化、转导和共轭（Arnold等人，2022年）。这些机制在机制、传递能力和适用性方面存在显著差异（表1）。转化是指细菌吸收外源DNA，需要自然或人工诱导其感受态，因此主要适用于实验室适应的菌株。转导依赖于噬菌体感染，其应用受到噬菌体-宿主特异性的限制（Jia等人，2023年；Yoshida和Sato，2009年）。相比之下，共轭作用能够在不依赖受体感受态或特定噬菌体受体的情况下实现细胞间的直接DNA传递，并且通常能够传递更大的遗传物质，包括多基因途径和移动遗传元件（Allard等人，2023年；Raleigh和Low，2013年；Virolle等人，2020年）。在此过程中，供体细胞通过共轭质粒（CPs）或整合共轭元件（ICEs）中的共轭机制向受体细胞提供遗传元件。已知共轭作用适用于广泛的革兰氏阴性菌（Fang等人，2024年；Waksman，2019年）和革兰氏阳性菌（Cooke和Herman，2023年；Goessweiner-Mohr等人，2014年）。由于其广泛的适用性，共轭作用不仅被用于单个微生物的监测和改造，也被用于多种微生物的改造（Li等人，2019年；Yang等人，2023年）。
在这篇综述中，我们介绍了共轭作用的一般机制、特征及其最新应用。首先解释了共轭系统的机制和特征，然后介绍了具有不同特征的多种代表性共轭机制，最后探讨了共轭系统在筛选、改造和分析微生物多样性方面的应用，展示了其在多种生物技术领域的巨大潜力。
部分摘录
细菌共轭的机制和特征
DNA的共轭转移是通过细胞间的物理接触以及DNA处理和分泌机制来实现的（图1）（Cabezón等人，2015年）。为了促进转移，需要将双链DNA（dsDNA）转化为线性单链DNA（ssDNA）。根据转移的DNA类型（例如质粒-CPs、部分染色体-ICEs），需要不同的DNA处理酶。这种ssDNA通常被称为T链，随后被转移给受体细胞。
细菌共轭中的CPs和ICEs类型
最近的研究发现了多种CPs和ICEs的遗传元件（Colombi等人，2021年；Guglielmini等人，2011年；Liu等人，2019年）（表2）。CPs具有不同的复制起点（即oriV），通常被分为多个不相容性（Inc）组（Garcillán-Barcia等人，2023年；Schr?der和Lanka，2005年）。同一Inc组的质粒使用相同的复制和分配控制机制，这些机制会相互干扰，从而阻止共轭发生。
细菌共轭在生物技术中的应用
由于共轭作用对宿主特异性生物约束的依赖性较低，因此它可以在混合微生物群落中有效运作，非常适合进行原位基因操作和群落级改造。利用这些优势，共轭作用已被广泛应用于监测水平基因转移动态、选择性抑制抗生素耐药性病原体、功能化土壤微生物群以及重新编程肠道微生物群等。
结论与未来展望
许多科学进展源于在不同生态位独立进化的微生物，这反映了它们对周围环境的卓越适应性。这些进化动态表明，可能存在尚未被发现的具有宝贵生物技术特性的特化微生物。随着技术能力的提升，估计存在的超过一万亿种微生物物种不再被视为未开发的领域，而是一个巨大的资源库。
作者贡献
金敏在（Min Jae Kim）：概念构思、研究、初稿撰写、审稿与编辑、可视化。
南成贤（Sung-Hyun Nam）：研究、初稿撰写、审稿与编辑、可视化。
叶大烨（Dae-yeol Ye）：研究、初稿撰写、审稿与编辑。
李成元（Seungwon Lee）：初稿撰写、审稿与编辑、可视化。
郑圭烨（Gyoo Yeol Jung）：概念构思、初稿撰写、审稿与编辑、监督、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。
致谢
本研究得到了韩国海洋科学技术院（KIMST）的支持，该机构由韩国海洋渔业部资助[资助编号：RS-2022-KS221581]。本研究还得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助[资助编号：RS-2024-00334792、RS-2025-02215308、RS-2024-00453085]，这些资助由韩国科学技术信息通信部提供。
