合成生物學(xué)屬于跨學(xué)科高度交叉的研究領(lǐng)域，旨在從基本生物單元和生物系統(tǒng)構(gòu)建來設(shè)計新的功能生物實體。對生命體的認(rèn)識是合成生物學(xué)研究的重要前提，代謝組學(xué)作為一門研究生物體內(nèi)代謝物的種類、數(shù)量、相互作用和動態(tài)變化的學(xué)科，可以對體內(nèi)生化反應(yīng)和代謝通路進(jìn)行深入挖掘，從而助力高效的合成生物學(xué)研究：

本期分享非靶向代謝組學(xué)解析釀酒酵母一碳轉(zhuǎn)化調(diào)控關(guān)鍵靶點的研究，成果來自北京化工大學(xué)國家能源生物煉制研發(fā)中心的譚天偉院士課題組在 Renewable Energy 上發(fā)表的題為“A one-carbon chemicals conversion strategy to produce precursor of biofuels with Saccharomyces cerevisiae”的研究論文 ^[1]，為大家介紹一種基于非靶向代謝組學(xué)結(jié)合發(fā)酵結(jié)果，對菌株的代謝表型進(jìn)行深入研究以解析代謝調(diào)控機(jī)制的策略。

該方法具有一定的普適性，通過揭示微生物的代謝機(jī)理，為微生物代謝改造提供新的技術(shù)方法。

圖 1. 代謝組學(xué)用于指導(dǎo)微生物系統(tǒng)構(gòu)建與發(fā)酵放大

釀酒酵母中一碳轉(zhuǎn)化途徑的構(gòu)建與驗證

圖 2. 一碳轉(zhuǎn)化途徑對 FFAs 產(chǎn)生、菌株還原能力和中樞代謝的影響

通過對釀酒酵母的基因改造，研究團(tuán)隊開發(fā)了一種高效的一碳化學(xué)品（CO₂ 及其衍生物甲酸鹽）轉(zhuǎn)化策略。經(jīng)過實驗證明，該策略成功實現(xiàn)了 CO₂ 的固定與甲酸鹽的轉(zhuǎn)化，一碳固定效率達(dá)到 11.24%，并且還進(jìn)一步提高了游離脂肪酸（FFAs）的產(chǎn)量。

非靶向代謝組學(xué)探究工程改造的代謝變化

為了深入了解工程菌株 KW301 和對照菌株 YJZ08 的代謝變化，研究團(tuán)隊采用非靶向代謝組學(xué)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分析和聚類分析，以對比這兩個菌株的代謝改變情況。結(jié)果顯示，在 48 小時時，菌株之間的差異化合物數(shù)量達(dá)到了 89 種，而在 72 小時時，差異化合物數(shù)量進(jìn)一步增加，達(dá)到了 192 種。

圖 3. 菌株 KW301 與 YJZ08 在 48 小時（A）與 72 小時（B）的差異化合物分析

高分辨質(zhì)譜結(jié)合生物信息學(xué)軟件

提供非靶向代謝組學(xué)的高效研究

結(jié)語

綜上，基于液相-高分辨質(zhì)譜的非靶向代謝組學(xué)研究可以為微生物代謝調(diào)控機(jī)理的深入探究提供有效手段，獲得的相關(guān)代謝物定性、定量數(shù)據(jù)及代謝調(diào)控的相關(guān)信息可以進(jìn)一步指引代謝途徑改造和重構(gòu)的方向，從而促進(jìn)合成生物學(xué)的高效研究。