Scarab開發(fā)出17款產(chǎn)品涉足無質(zhì)粒生產(chǎn)等四大應用場景
人體,嚴格意義上來講其實是微生物與人體自身構(gòu)成的一個復雜組合體。微生物與人體自身細胞的比例高達9:1,在這數(shù)以億計的微生物中,消化道菌群占據(jù)著重要的一部分。
說起消化道菌群,不得不聊聊其中的大腸桿菌(Escherichia coli,E.coli,大腸埃希氏菌)。它于1885年被德國奧地利籍兒科醫(yī)生Theodor Escherich發(fā)現(xiàn),并將其命名為“普通大腸細菌”(Bacterium coli commune)。
1919年,在發(fā)現(xiàn)34年之后,為了紀念Escherich,科學家們正式將埃希氏菌屬 Escherichia作為大腸桿菌的屬名,其名稱Escherichia coli和簡寫E.coli也開始出現(xiàn)在教科書和文獻中。
關(guān)于大腸桿菌不同菌株的全部信息 圖源OpenWetWare網(wǎng)站
大腸桿菌,數(shù)次諾獎的功臣
人體在正常情況下與大腸桿菌是一種互惠共生的關(guān)系,大腸桿菌對維持腸胃功能穩(wěn)定具有重要作用。它能夠抑制腸道中的用于分解蛋白質(zhì)的維生素的生長情況,并減少蛋白質(zhì)的分解。大腸桿菌還能夠在身體中形成維生素B和維生素K,這兩項維生素可以幫助身體的腸胃功能維持正常,促進腸胃道新陳代謝。
但是當人體免疫機能下降,腸胃道菌群(如大腸桿菌)失調(diào)時。大腸桿菌則會引起胃腸道感染、尿道感染、關(guān)節(jié)炎、腦膜炎以及敗血型感染等疾病。
大腸桿菌的功能不局限與人體自身的新陳代謝,在基因工程、生物能源、微生物工業(yè)以及模式生物研究有更廣泛的應用。至今已有多項諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了利用大腸桿菌進行研究的科學家。
這些研究包括1958年因發(fā)現(xiàn)細菌遺傳物質(zhì)的基因重組和組織獲獎的Joshua Lederberg;1978年因發(fā)現(xiàn) DNA 限制酶及其在分子遺傳學上的應用獲獎的Wemer Arber等人;1980年因研究出DNA(脫氧核糖核酸)重組體技術(shù)獲獎的Paul Berg 等人;2015年因DNA修復的機制研究獲獎的Tomas Lindahl、Paul Modrich和Aziz Sancar等。
小小的大腸桿菌就有如此多的科研貢獻,那么它是從何而來呢?難道直接用人體內(nèi)、動物體內(nèi)代謝產(chǎn)生的大腸桿菌來做實驗嗎?當然是需要專業(yè)的細胞工廠來大規(guī)模生產(chǎn)更適用的商業(yè)用大腸桿菌。
Scarab,獲全球范圍內(nèi)簡化基因組技術(shù)專利授權(quán)
Scarab Genomics.LLC(簡稱:Scarab),成立于2002年,位于美國麥迪遜威斯康星州。
該公司是由威斯康星大學遺傳學家Fred Blattner組建的一家私營公司。其主要業(yè)務范圍是將清潔基因組(Clean Genome)多重刪除系列(Multiple Deletion Series,MDS)大腸桿菌商業(yè)化,該業(yè)務所用技術(shù)是由Fred Blattner博士在威斯康星大學麥迪遜分校時研究產(chǎn)生。Scarab也因此在威斯康星州校友研究基金會獲得了專利授權(quán)的全球范圍內(nèi)簡化基因組技術(shù)。
Scarab通過刪除超過15%的K-12基因組,對大腸桿菌進行生物工程改造。使用合成生物學方法,進行精確的刪除,包括消除不必要的基因、重組和可移動的DNA以及隱性的有毒基因,優(yōu)化大腸桿菌菌株的生產(chǎn),提供遺傳穩(wěn)定性更強、代謝效率更優(yōu)的大腸桿菌。
與傳統(tǒng)的常用大腸桿菌相比,清潔基因組大腸桿菌菌株在實驗室克隆,質(zhì)粒DNA產(chǎn)生和重組蛋白表達方面具有如下獨特的優(yōu)勢:減少宿主介導的重組不可克隆性、缺少IS元素可保持克隆完整性、基因組減少編輯更簡潔、生長密度更高產(chǎn)量更高等優(yōu)點。
五個系類,17種產(chǎn)品,四個應用領域
Scarab利用清潔基因組大腸桿菌技術(shù)開發(fā)出了五個系類的產(chǎn)品,這五個系列分別為載體蛋白系列、化學感受態(tài)細胞系列、電感受態(tài)細胞系列、IS(插入序列)檢測系列以及蛋白表達系統(tǒng)系列,產(chǎn)品類別達17種。
五個系列17種產(chǎn)品
這些產(chǎn)品大致被應用于四個領域:
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無質(zhì)粒生產(chǎn)
由于解決了低抗原性問題,質(zhì)粒DNA疫苗(pDNA)受到關(guān)注。這些疫苗因其快速的開發(fā)周期,溫度穩(wěn)定性和通過大腸桿菌發(fā)酵的廉價生產(chǎn)而備受吸引。但是,傳統(tǒng)的大腸桿菌菌株在其基因組中包含可移動的DNA元素,其中包括多達65個插入序列(IS)和多達11種部分缺陷的噬菌體。
噬菌體和IS元件均可在生產(chǎn)過程中被激活,從而導致不一致的發(fā)酵結(jié)果。IS元件還可以轉(zhuǎn)座到質(zhì)粒產(chǎn)物中,改變治療劑的序列和功能,導致細菌IS元素可能在給藥后進入哺乳動物基因組。通過在pDNA生產(chǎn)的所有步驟中使用大腸桿菌的多個缺失菌株(MDS)可消除這些問題。將這些菌株經(jīng)過精確設計,即可去除所有噬菌體和轉(zhuǎn)座序列。
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蛋白表達
重組蛋白的用途廣泛,包括診斷或疾病治療或在工業(yè)過程中使用。重組蛋白生產(chǎn)則是生命科學中使用的最強大的技術(shù)之一。
重組蛋白的表達看起來直截了當:將編碼所需蛋白的DNA克隆到表達載體中啟動子的下游。將該克隆導入宿主細胞,細胞合成產(chǎn)生所需的蛋白質(zhì)。但實際上,蛋白質(zhì)表達非常具有挑戰(zhàn)性,該過程易受多種因素影響。
Scarab公司的ScarabXpress產(chǎn)品則可提供任何給定目標蛋白更高的表達水平。它可以實現(xiàn)更嚴格的表達控制,這對于有害于宿主的周質(zhì)表達靶標和“毒性”靶標非常有用。在使用相同測試蛋白的并排比較中,ScarabXpress2產(chǎn)生的測試蛋白比大腸桿菌BL21(DE3)多29-36倍和3000倍的誘導范圍。
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克隆
現(xiàn)代生命科學依靠生物體基因組的分子操縱來研究單個目標基因。由于DNA的結(jié)構(gòu)是同一物種,因此可以將一個基因剪切粘貼到另一個生物中,表達改進后的基因。通常,克隆是指起源生物以外的生物復制DNA,DNA克隆涉及復制,修飾和擴增目的DNA?寺∫殉蔀榉肿由飳W的基礎,具有廣泛的應用,包括單個基因的分離,改良基因的表達與制備,蛋白質(zhì)生產(chǎn)等。
Scarab公司關(guān)于這一領域的產(chǎn)品具有如下優(yōu)點:3000倍歸納范圍,可最大程度地優(yōu)化目標的表達水平;基礎表達小,降低對宿主產(chǎn)生不良影響的靶標基因或周質(zhì)表達靶標;產(chǎn)量高,與野生型大腸桿菌菌株的標準表達載體相比,可實現(xiàn)高達36倍的目標產(chǎn)量;ScarabXpress?-2系統(tǒng)與任何清潔基因組大腸桿菌菌株兼容。
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逆轉(zhuǎn)錄病毒,慢病毒和shRNA載體的生產(chǎn)
在pDNA生產(chǎn)中遇到的一個常見挑戰(zhàn)是莖環(huán)DNA結(jié)構(gòu)的存在,例如病毒長末端重復序列(LTR)或短發(fā)夾RNA(shRNA),它們難以復制并且不穩(wěn)定。清潔基因組大腸桿菌可顯著提高pDNA載體生產(chǎn)低及不穩(wěn)定的能力。
同樣,衍生自腺相關(guān)病毒(AAV)的載體帶有兩個反向重復序列,形成40 bp莖。在末端,另外兩個9bp的莖分支進一步終止于環(huán)結(jié)構(gòu)。這兩個莖環(huán)本身包含直接重復序列,當在標準大腸桿菌宿主中生長時,這些重復序列特別容易缺失。
Scarab公司使用腺相關(guān)病毒pT-ITR-IL2載體,將其轉(zhuǎn)化到MDS?42和未還原的親本菌株大腸桿菌中。這種具有極端二級結(jié)構(gòu)的清潔基因組大腸桿菌可解決不穩(wěn)定的生物治療性pDNA生產(chǎn)問題。
不斷有新發(fā)現(xiàn),大腸桿菌還可用于生產(chǎn)環(huán)保尼龍、蛋白質(zhì)
Scarab通過以上五個系類四個應用領域的產(chǎn)品,其產(chǎn)品遠銷海外。這種情況得益于大腸桿菌產(chǎn)品的廣泛市場使用范圍,在分子生物學、細胞生物學、細菌學、遺傳學、免疫學、生物化學、蛋白質(zhì)學、細胞療、臨床應用等領域均有大腸桿菌產(chǎn)品的應用。
去年10月,湖北大學李愛濤教授團隊利用人工生物合成途徑,通過使用生物催化劑、空氣中的氧為氧化劑,在常溫常壓下水溶液中即可完成尼龍重要的中間產(chǎn)物己二酸的制備。該技術(shù)將用于制造綠色無污染的尼龍。同期,合成生物學公司AbSci利用其大腸桿菌表達平臺 “SoluPro” 來大量生產(chǎn)蛋白質(zhì)(包括全長抗體、胰島素等),該平臺可在極高的滴度下生成可溶的、正確折疊的蛋白。
未來,大腸桿菌將會帶來越來越多的應用,為生物經(jīng)濟時代的到來注入一份力量。
作者:周秋寒
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