菌种改造新方法及新设备的产学研合作研发-邢新会-清.pdfVIP

面向生物产业的高效菌种改造新方法及新 设备的产学研合作研发 邢新会1，李和平2 ，王立言1, 3，张翀1 1 清华大学化工系生物化工研究所 Email: xhxing@tsinghua.edu.cn 2 清华大学工程物理系 3 思清源生物科技有限公司 全国发酵工程技术与工艺装备科技创新 与产业化发展论坛 2013年3月23-24日于上海 发酵微生物育种技术重要性 ?优良微生物的高效选育或育种技术是生物产业的核心。 菌株——生物产业的生命！ ?生物产业优良微生物的基本性能要求 发酵生产效率高、菌种鲁棒性强、稳定性高、GRAS ?如何获取优良工业微生物？ ?直接富集筛选：耗时，获得优良菌种的几率小； ?微生物育种：在基因层面对微生物的遗传性状进行改 变，从而获取性状优良、适合工业生产的菌株 ?食品发酵工业及农业生物技术育种的基本要求：从安 全性出发，大多需要非基因改良生物（GMO），因此， 需要高效非GMO定向进化育种技术 快速、高效微生物进化育种技术国是生物技术领域的重要方向 生命的本质：智能多功能体系（目的论） 获取途径：进化及组织化 ?多样性diversity ?高效性Efficiency ?可持续性 Sustainability 分子 单细 胞 组织 个体 群落 尺度scale 效率efficiency 生命的工程学原理： 功能分化与功能集成 生物进化过程 肇庆西江虾(腿不一样长） ?突变是生命世界的自然现象 ?进化是偶然中的必然，像中彩票 ?能按照期待的方向控制生物进化吗? Lottery Ticket彩票 ?DNA自然复制突变 率 (1 个碱基置换错 误率): 1/107-108 ?突变率可以通过外 界力量增加 ?突变导致进化，进 而使生命获得新功 能、适应新的环境 条件 加速突变Mutation Acceleration Adaptive evolution Sub-Optimal Wild type Optimal Evolved Strains ~ 60 days ~ 60 days Nature 2002, 420(6912): 186-9; J Bacteriol. 2003, 185(21):6400-8 Chemostat culture Enrichment culture Advantage: Selection pressure, “directed” cell evolution Disadvantage: needing long time, time and labor consuming, low efficiency 如何实现高效微生物进化？ How to make effective microbial evolution? Microbial Evolution Environmental stresses Genome mutation Fitness ?Adaptation by altering phenotypes or emerging new functions (evolution) ？ ？ Potentiation Actualization Refinement making a trait possible making the trait manifest making the trait effective (new functions) JE. Barrick et al., Nature, 461, 1243-1249(2009) Zachary D. Blount et al., Nature, doi:10.1038/nature11514 (2012) T o ta l m u ta ti o n s 450 400 350 300 Mutator 250 evolves 200 150 100 50 0 Cit+ evolves 0 10,000 20,000 30,000 40,000 Generations R e la tiv e fitn e s s M u ta ti o n s 50 45 40 35 30 25 20 800 15 600 10 400 200 5 0 0 0 10K 20K 30K