基因组的设计与工程化构建
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人工设计与合成原核模式生物大肠杆菌基因组
大肠杆菌是被最广泛研究的原核模式生物。它生长快速，遗传操作相对简单——很多的遗传操作技术都是首先在大肠杆菌中建立的。对大肠杆菌在组学水平的大量研究技术及生物信息学分析和建模促进了我们对大肠杆菌生物系统的理解，使我们能对大肠杆菌进行更有理性的改造，从而使它成为我们想要的超级菌株，以用于工业应用生产所需要的产物。基因组减小化可以降低基因组的复杂度，也减少了非必需的代谢途径，有利于整合异源的高效生产元件以获得高产的优化菌株。大肠杆菌的基因组有 4—5 Mbp，远比 1 Mbp 的支原体基因组大。因此通过类似的“自下而上”从头合成的方法来构建大肠杆菌简约基因组并进行测试会很困难。因此，大部分与大肠杆菌减小基因组相关的研究报道都是通过“自上而下”的基因组删减途径来进行的。由于工业应用需求导向，我们希望构建的是具有快速生长、基因组稳定的大肠杆菌菌株。基因组的减小化与生长速度之间存在一定的平衡。因此，我们对大肠杆菌简小基因组的研究并不是一味追求基因组的最小化，而是小而强大。
“自上而下”的基因组删减策略是首先通过生物信息学方法分析生存必需基因，比如，分析天然进化的含小基因组的微生物，或者用比较基因组学分析等。第二步是用高通量基因敲除方法鉴定生存必需基因。有了这些数据，我们可以确定基因组哪些区域是生存必需的，哪些区域是生存非必需的、可敲除的。通过对基因组中的生存非必需的区域进行大段删减的测试，测试可敲除的区域再合并到一个菌株中，这样可以逐步构建一系列基因组减小化的菌株。
目前主要有 3 类基因组减小的大肠杆菌菌株的构建：① Delta 系列是通过大段敲除生存非必需区域，迅速将大肠杆菌基因组减小。但是由于没有很理性的设计，最后构建出来的菌株存在生长缺陷。②相比而言，MGF 系列只累积不影响生长的较小片段的敲除，因此最后构建出来的菌株生长状况良好。③ MDS 系列着重敲除插入序列、原噬菌体等不影响生长且有助于基因组稳定的基因。因此，最后构建出来的菌株被认为是含有 clean genome（干净的基因组）的，且菌株生长状况良好。
2016 年，美国科学家 Church 研究组最近报道了全合成的密码子简约化的大肠杆菌基因组。我们知道，1 个遗传密码子是由 3 个碱基组成，共有 64 个密码子，除了 3 个终止密码子外，其他 61 个密码子对应于 20 种氨基酸。1 种氨基酸可以对应 1 到多个密码子。全基因组范围的同义密码子置换可以构建具有遗传隔离并具有新的生物功能的生命体。遗传隔离是指由于新合成出来的生命体少了一些密码子，使得外源 DNA，包括来源于病毒、质粒或其他细胞的 DNA，进入生物体内后可能无法正常表达，从而使生物体对感染和基因水平转移不敏感。此外，可以利用置换出来的密码子来表达 20 个氨基酸以外的非标准氨基酸，从而合成具有新化学活性的蛋白。Church 研究组通过重编程大肠杆菌基因组，将大肠杆菌基因组的 7 个密码子，包括丝氨酸、亮氨酸、精氨酸的各 2 个密码子以及 1 个终止子，用同义密码子置换，从而将基因组使用的密码子从 64 个降为 57个。这是个很大胆的举动，因为这 7 个密码子的置换一共涉及了 6 万多处改动。他们将大肠杆菌基因组分成 87 个约 50 kbp 的片段，并对其中的 55 个片段进行合成与分别测试。他们发现 91% 的生存必需基因在这样的改动之后仍能保持功能且不影响生长。这表明了基因组的可塑性还是很大的。