利用各種合成生物學(xué)工具和方法進行微生物工程已經(jīng)取得了重大進展。然而，將DNA導(dǎo)入非模型新型底盤生物，特別是那些未定性的生物，仍然是推進該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的主要障礙。有幾種常用的將DNA導(dǎo)入微生物的有效方法，包括化學(xué)感受態(tài)、原生質(zhì)體、電穿孔和大腸桿菌介導(dǎo)的共軛。然而，這些方法只適用于少數(shù)馴化的底盤微生物，因此限制了可作為合成生物學(xué)宿主細胞的微生物范圍。

為了解決這一障礙，Brophy 等人開發(fā)了一種基于廣泛宿主共軛的DNA轉(zhuǎn)移工具，名為XPORT（圖1）。在這種方法中，包括枯草芽孢桿菌內(nèi)源性整合與共軛元件（ICE）在內(nèi)的共軛機制被設(shè)計用于將基因回路可控地傳遞到非傳統(tǒng)和未馴化的底盤細菌中。雖然XPORT為非馴化細菌工程學(xué)引入了一種前景廣闊的方法，但其廣泛和實際應(yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，XPORT介導(dǎo)的共軛需要DNA供體細胞和受體細胞直接物理接觸，以促進DNA轉(zhuǎn)移，因此供體細胞和受體細胞的比例通常必須相當高（>10?：1），才能確保成功。其次，共軛效率取決于供體細胞與受體細胞的比例以及共培養(yǎng)時間，這需要通過多次實驗來確定最佳 DNA轉(zhuǎn)移條件，這非常耗時耗力。最后，XPORT介導(dǎo)的DNA轉(zhuǎn)移方法僅適用于某些細菌物種，特別是那些具有與供體菌株相似的遺傳背景的物種。對于其他物種，可能需要對XPORT系統(tǒng)進行修改或開發(fā)新的系統(tǒng)。

圖1 XPORT介導(dǎo)的共軛原理示意圖

為解決上述挑戰(zhàn)，近期，美國作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部陸軍研究實驗室（DEVCOM ARL）的研究人員開發(fā)了一種名為DNA ENTRAP的液滴微流控平臺，用于增強工程枯草芽孢桿菌（XPORT）介導(dǎo)的DNA轉(zhuǎn)移。相關(guān)研究以“XPORT ENTRAP: A droplet microfluidic platform for enhanced DNA transfer between microbial species”為題，發(fā)表在New Biotechnology期刊上。

圖2基于液滴微流控技術(shù)的DNA轉(zhuǎn)移工作流程

液滴微流控平臺通過將供體和受體細胞封裝在微小的油包水乳液液滴中，使得細胞之間距離更近。這種物理上的接近增加了成功共軛的潛力，從而提高了基因轉(zhuǎn)移的速率。此外，該平臺允許對實驗參數(shù)進行精確控制（例如供體-受體細胞比例和共培養(yǎng)時間），通過優(yōu)化這些參數(shù)，可以最大化DNA轉(zhuǎn)移的效率，減少實驗的時間和資源消耗。其次，微液滴內(nèi)部呈現(xiàn)混沌對流特性，下游的蛇形混合模塊通過增加流體的混合程度進一步增強了細胞內(nèi)部的混合，提高了細胞間接觸的機會并擴大了接觸面積，有利于基因的成功轉(zhuǎn)移。此外，該平臺具有自動化特性，可以進行高通量實驗和篩選。自動化的實驗流程有利于大幅提高實驗效率，同時減少操作失誤的可能性，從而增強DNA轉(zhuǎn)移的效率。研究人員使用枯草桿菌測試了這種微流控DNA ENTRAP系統(tǒng)與傳統(tǒng)臺式XPORT共軛方案相比的可行性和效率。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，XPORT介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移比目前的臺式XPORT過程更強。

圖3 兩種不同供體與受體細胞比例下的液滴內(nèi)DNA共軛與臺式系統(tǒng)共軛效率的比較

綜上所述，該研究開發(fā)的DNA ENTRAP液滴微流控平臺為實現(xiàn)XPORT介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移過程的簡化和自動化以及未來的高通量細胞工程和篩選應(yīng)用鋪平了道路。它有可能提高我們對各種微生物進行基因改造的能力，并迅速加速馴化這些尚未開發(fā)的微生物，以用于廣泛的生物技術(shù)和生物制造應(yīng)用。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.nbt.2024.02.003

審核編輯：劉清