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谷氨酸棒杆菌是重要的工业发酵菌种，被广泛用作氨基酸、有机酸等化学品高效合成的底盘。近年来，谷氨酸棒杆菌基因组编辑技术取得了重要突破，加速了新型高性能菌种的理性设计和改造。然而，由于生物系统的复杂性，理性改造往往难以突破认知局限以获得适应工业发酵条件的高效菌种。适应性进化是快速提升菌种综合性能、鉴定新型功能元件的重要技术。基因组突变器可以有效提高菌株自发突变频率，实现菌株的快速连续进化。然而，谷氨酸棒杆菌遗传性状稳定，其控制机制尚不完全清晰，目前无可用的突变器元件和基因组连续进化技术。
近日，中国科学院天津工业生物技术研究所研究员郑平带领的系统与合成生物技术团队，在谷氨酸棒杆菌突变器构建以及基因组连续进化技术开发方面取得了新进展。研究发现了谷氨酸棒杆菌中DNA聚合酶III ε亚基（DnaQ）的同源蛋白并没有校对活性，且DNA复制过程中的校对功能依赖DNA聚合酶III α亚基（DnaE1）的组氨酸磷酸酶（PHP）结构域行使，并通过对该结构域关键氨基酸残基的饱和突变，获得了能够将谷氨酸棒杆菌自发突变频率提升16-505倍的突变器；为了探索不同类型的突变器元件，研究进一步基于谷氨酸棒杆菌中非经典的错配修复系统NucS，构建了突变器的高通量筛选体系，筛选获得了突变偏好性与DnaE1突变器明显不同的22种全新突变器元件，最高突变频率提升了236倍；通过上述元件的组合，形成了对DNA复制过程中校对系统和复制后错配修复系统同时干预的二元突变器元件，菌株自发突变率提高了2352倍。基于上述不同突变频率的突变器，研究通过适应性进化，快速获得了高浓度甲醇/糠醛耐受菌株以及蛋白高表达菌株，并鉴定了新型甲醇耐受元件。该研究不仅为谷氨酸棒杆菌的进化工程研究提供了高效工具，而且为其他微生物高效突变器元件和基因组连续进化技术的开发提供了技术策略参考。
相关研究成果发表在《核酸研究》（Nucleic Acids Research）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会和中国科学院青年创新促进会等的支持。
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谷氨酸棒杆菌突变器及基因组连续进化技术
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