在细胞外思考功能基因组学

在过去二十年中，美国能源部(DOE)联合基因组研究所(JGI)，劳伦斯伯克利国家实验室的DOE科学用户设施办公室，已从高通量基因组测序中心转变为国家用户设施为世界各地的研究人员提供与DOE能源和环境挑战任务相关项目的测序和计算分析能力。随着测序技术和能力的进步，JGI已经开发出诸如单细胞基因组学，合成生物学和代谢组学等功能，不仅可以生成DNA序列，还可以了解基因功能，适用于各种应用。

“JGI的战略方向是将基因组信息转化为功能性理解，”Nigel Mouncey主任说。“今天，DNA测序的规模和成本已经产生了前所未有的基因和基因组信息水平，其功能知之甚少。因此，迫切需要快速，大规模地分配有效的功能。基因，通路和基因组。“

由于需要细胞生长，复杂的调节机制，干扰或来自其他代谢途径和细胞过程，基于细胞的测试以确定代谢功能是具有挑战性的。通过JGI的新兴技术机会计划(ETOP)批准的最新提案由德克萨斯大学奥斯汀分校的Hal Alper和西北大学的Michael Jewett领导。该项目在两年内从JGI获得近50万美元资金，旨在开发一个优化的无细胞平台，使研究人员能够加速设计 - 构建 - 测试 - 分析周期的“构建”和“测试”部分在合成生物学。几十年来，无细胞系统已成功用于个体蛋白质表达，但最近的应用主要集中在酶筛选，代谢途径设计和原型分析以及免疫系统表征。

“我们正在努力开发的通用平台是一种通路无关，从DNA设计到原型的无缝管道，”Alper说。“它既是发现和理解的工具，也是加速细胞工程的一种方式。”

ETOP于2013年推出，旨在将其他机构开发的新技术引入JGI，使其可供用户用于能源和环境应用，并为JGI用户目前正在进行的高通量测序和分析增加价值。

该提案中概述的无细胞系统方法首先从选择的菌株中裂解预先优化的细胞，然后使用来自这些菌株的裂解物来表达感兴趣的基因和途径，这些基因和途径可以在不同比例的混合物中混合，以便于快速和快速表征新颖和改进的途径。Alper指出，这是一项合作努力，他们的实验室将在整个时间段内多次交付技术开发以实现进步。

“数十年来，人们已经使用无细胞框架来理解生物化学。最新的想法是将一种途径视为可以用酶鸡尾酒构建的途径，”Jewett说。“在我们的设计 - 构建 - 测试周期中，该单元不是质粒或构建体，而是富含途径酶的裂解物。您具有自由和灵活性;直接进入反应条件，因为您没有细胞壁，它对非模型生物有用。这可以加速设计循环，并且可以导致问题，而不是一个月内射击10,000次，我们可以在一周内完成吗?“

“这种ETOP将开发新的和可扩展的无细胞表达平台，这些平台针对特定的代谢关键节点进行了优化，并将用于一系列生物合成基因和途径，”Mouncey说。“这项技术与JGI的现有功能高度互补，并且一旦在内部，将结合在新的综合工作流程中，允许复杂的基因组挖掘到DNA合成到无细胞表达到高通量代谢组学到高性能计算到表征1000个基因的功能。与这个激动人心的领域的领导者合作将为我们的用户带来极具影响力和价值的技术。“

Jewett补充说，两年前甚至无法实现无细胞系统框架。他引用了DNA合成的进展，无细胞生物合成能力的改进以及基因组工程工具的融合，包括新的策略，例如启用这一新平台的多重CRISPR工具。

“我们希望吸引更广泛社区的研究人员，他们可以在JGI中利用这些新工具，”他补充说。

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