合成生物技術打造“葉綠體工廠”，利用光和二氧化碳生產高值產物

光合作用是地球上最重要的化學反應之一。

綠色植物利用光能把二氧化碳和水合成有機物并釋放氧氣，這個過程對于維持地球大氣的碳一氧平衡具有重要意義，同時，也為地球上的生命直接或間接地提供了生存所需要的物質和能量。

植物細胞中的葉綠體是進行光合作用的關鍵。能否借助葉綠體通過光合作用來定向生產人們需要的化合物呢？答案是肯定的。

微型染色體：葉綠體轉基因的新工具

2021年6月，法國生物技術公司Algentech總裁兼首席執行官Alexander Sorokin團隊在Nature Plants發表了一篇題為“Replicatingminichromosomes as a new tool for plastid genome engineering”的論文。

復制微染色體作為質體基因組工程的新工具

研究人員開發出了一種在葉綠體中導入和表達轉基因的新方法，與傳統策略不同，該方法不需要將轉基因插入葉綠體基因組。相反地，轉基因作為一個物理上獨立的實體被放大，稱為“微型染色體”。擴增發生在存在輔助蛋白的情況下，該輔助蛋白通過識別轉基因兩側的特定序列啟動復制過程，導致轉基因DNA以極高的水平積累。

重要的是，研究人員證明了這種擴增的轉基因作為外源蛋白表達的模板，在植物發育過程中保持穩定，并通過母體傳遞給后代。這些發現表明，基于“微型染色體”的方法是葉綠體轉基因表達和細胞器基因組工程的一個有潛力的工具。

這項研究證明了“微型染色體”可以作為植物中蛋白表達的模板，不僅縮短了篩選過程，而且減弱了轉基因過程對蛋白表達的不利影響。更為關鍵的是，這一策略為至今為止無法進行細胞器修飾的生物體開發質體轉化方法提供了參考，在合成生物學領域應用前景非常廣泛。

植物細胞葉綠體

可在葉綠體中高表達蛋白和核酸

質體是一類與碳水化合物的合成與貯藏密切相關的細胞器，它是植物細胞特有的結構。根據色素的不同，質體大體可分成三種類型：葉綠體、色質體和白色體。葉綠體是含有葉綠素的質體，是高等植物和一些藻類中能進行光合作用的細胞器。

相較于細胞核轉基因，質體轉基因具有諸多優勢：第一，實現高產蛋白質和生物化合物生產的可能性;第二，由于缺乏表觀遺傳或轉錄后基因沉默機制，蛋白質表達的穩定性;第三，由于質體DNA的母系遺傳，減少了不良轉基因傳播的風險;第四，由于葉綠體翻譯機制的原核性質，多順反子單位的表達可能性，促進了復雜的代謝途徑工程。

質體轉化常見的方法是將轉基因DNA導入細胞器中，轉基因插入是通過轉基因兩側葉綠體轉化載體中存在的質體和質體靶向序列之間的兩個同源重組事件進行的。葉綠體轉化的困難在于質體的高度多倍體，在單個細胞中存在多達1萬個質體DNA拷貝。為了獲得穩定的轉基因細胞系，需要保持選擇壓力直到達到同源狀態，以此消除所有沒有轉基因的質體DNA副本。

Algentech公司開發的這項技術是基于葉綠體，而葉綠體是植物細胞進行光合作用的細胞器。與傳統的微生物有機生產系統相比，這項技術有一個顯著的優勢：利用太陽能作為能源，在消耗二氧化碳的同時生產高價值產物，如此一來，植物就變成了真正的綠色、可持續和環保的生產工廠。

目前，Algentech公司在煙草、大豆、胡蘿卜和水扁豆中進行了測試，后續可轉移到廣泛的陸生植物物種中，但也有可能轉移到光合作用藻類中，因為這些藻類的細胞核心也含有葉綠體。

除了擁有較高的產量（可達到總可溶性蛋白質的70%）之外，Algentech開發的技術還提供了完整轉移生物合成途徑的可能性，即在現有技術僅限于整合少數基因的情況下實現了15個～20個基因在植物細胞中的同時表達。這項技術使其成為合成生物學和綠色化學在多個領域應用的首選方法，包括生產肽、核酸、酶、治療化合物和制藥、化妝品等等。

該技術使得在植物葉綠體中產生高水平的蛋白質和核酸成為了可能，同時這也是許多企業最感興趣的技術突破，它們一直在尋找可持續的生物生產平臺。

用植物葉綠體生產高值產物

Algentech成立于2009年，總部位于法國埃弗里，該公司專注開發用于基因編輯和合成生物學工具應用的尖端技術，將植物細胞用作綠色工廠來生產多種高價值產物。

該公司首席執行官兼科學家Isabelle Malcuit表示：“我們的目標是解決基因組工程領域的技術瓶頸，并將新方法推向市場。我們有兩項核心技術，第一，開發了用于改進基于核酸酶的基因組編輯的分子工具，這主要應用于農業作物改良。第二，葉綠體技術，我們開發了自我復制的分子，這些分子構成了光合細胞合成生物學領域的游戲規則改變者。”

微型染色體擴增技術能夠轉移植物葉綠體中高表達的整個生物合成途徑，單位不整合在葉綠體基因組中，使大多數順反子單位能夠獨立地高表達。專有的葉綠體轉移技術依賴于從細胞核組成性表達的基因單位，作為無限分子源，可通過獨特的運輸系統靶向這些細胞器。

Isabelle Malcuit博士說：“在歐洲工業生產政策不斷變化的背景下，新開發的技術使Algentech能夠將自己定位為法國生物生產的參與者，以尊重環境的可持續方式，滿足在國家層面加強和多樣化工業能力的需要。”

如今，Algentech公司與工業界和學術界建立了伙伴關系，借助生物合成平臺生產天然生物農藥分子和一些酶。公司對擴展應用領域和提高生產能力的新合作持開放態度。例如，以生物方式生產角鯊烯，可用于化妝品行業并作為疫苗佐劑，或參與生物氫生產的酶，作為參與能源轉型的可再生能源來源。

前不久，Algentech獲得歐洲航天局的資助，用于開展一項名為“用于太空探索的環境適應性植物”的項目，該項目旨在研究和培育能夠在高氯酸鹽污染土壤中生長的植物，同時還將測試不同的化合物對植物的電離輻射保護。可以預見的是，該項目一旦成功，還將會對地球產生積極的影響，畢竟土壤中的高氯酸鹽污染難以管理，而加強植物修復可以為目前的處理提供一種更便宜、更清潔的替代方案。

氫是化石燃料中最清潔的替代品之一，而生物質是最豐富的可再生資源，這兩者的結合也是Algentech的一個新項目，旨在從植物生物質中高效、低成本地生產氫氣。

Algentech首席執行官兼科學家Isabel le Malcuit

“我們的技術將用于生產將植物生物質加工成糖所需的酶復合物，并將其用作生物制氫的底物，我們剛剛申請了由五個歐洲實驗室組成的財團的資助。”Malcuit說道。

對于Algentech未來的發展方向，Malcuit表示：“我們已經在實驗室層面展示了我們技術的力量，下一步是擴大規模，我們正在積極尋找工業合作伙伴進一步推進，但想要實現大規模產業化至少還得需要3年的開發時間。”

合成生物學將為農業生產注入新動力

據聯合國糧農組織估計，到2050年，糧食產量需要增加70%才能滿足全球人口需求，農業發展不僅要滿足不斷增長的人口對糧食的需求，還要考慮如何在全球氣候變化和有限土地資源的背景下以可持續和快速發展的方式進行，如今亟待創新的解決方案來提高糧食生產力和營養質量。

合成生物學或將掀起農業變革

近些年，合成生物學發展迅速，其以工程化的設計理念對生物體進行有目的的設計和改造，將為破解人類面臨的資源、環境等領域重大挑戰提供新的解決方案。合成生物學的出現成為農業持續增長的關鍵和未來農業發展的方向，其利用植物作為宿主生產蛋白質和高價值化合物，這在提高農業生產力、食品質量、實現可持續、降低生產成本等方面具有很大潛力。

就現階段而言，生物合成途徑的規模化解析和元件庫建設、生物途徑高通量組裝和優化、人造系統的調試等方面還處于初級發展階段，人工智能等自動化技術參與程度較低。

Algentech開發的新技術給業界一個很好的啟示，使在植物葉綠體中生產蛋白質和核酸成為可能，將植物細胞變成真正意義上的綠色工廠，用于高產量生產工業應用中的高價值化合物，包括植物制藥、化妝品、酶、生物表面活性劑、沼氣等。（綜合整理報道）（編輯/諾伊克）