【學以精工】北理工iGEM亞洲金獎作品（下）——微生物智能熱量調節引擎
發布日期：2013-11-05 供稿：宣傳部 學生記者 張夢夢
編輯：宣傳部 閱讀次數： 日前，北京理工大學生命學院BIT、BIT-China兩支學生代表隊參加了在香港中文大學康本學術科技園舉行的國際遺傳工程機器設計競賽（iGEM）亞洲區的決賽，獲得了兩枚金獎的驕人成績，并成功晉級將于2013年11月初在美國麻省理工學院（MIT）舉辦的iGEM-2013世界錦標賽決賽。
iGEM是由美國麻省理工學院2005年創辦的，現已發展成為合成生物學領域國際性的學術競賽。競賽要求學生自主選題，設計并構建一個能夠在工程菌（大腸桿菌）中實現表達和操控的生物系統，該科研成果將提交給MIT的競賽組委會，供全球的科學家共享，從而使學生的創新成果擁有更為深遠的學術價值和潛在應用價值。
今年亞洲賽區決賽共有68支隊伍參賽，包括北京大學、清華大學、復旦大學、上海交大、香港科技大學、東京工業大學、香港中文大學、臺灣陽明大學等亞洲知名大學代表隊在內。此項競賽受到 Nature、Science等國際權威科學雜志，以及 BBC 這樣的傳統媒體的關注，并進行專題報道，具有非常大的國際影響力。
北京理工大學生命學院圍繞該項比賽進行了認真籌備，不僅向兄弟高校學習調研，同時結合我校生命類學生的特點，開展了廣泛動員，并吸收了部分其他專業學生參與其中，真正體現了我校理工學科雄厚基礎以及生命科學新興交叉學科的活力。
上期介紹北理工生命學院BIT參賽隊伍關于牛奶中抗生素監測的新策略，本期我們將關注另一只參賽隊伍BIT-China，該對18名成員在生命學院李春教授和郭淑元副教授的指導下，利用多種前沿的合成生物學技術完成了題為《Intelligent Microbial Heat Regulation Engine》（微生物智能熱量調節引擎）的參賽項目。
21世紀生物產業迅猛發展。而生物產業依存的微生物發酵過程控制及其設備是一類高能耗的過程和裝置。目前，大規模生產中單臺發酵罐的體積已達到300～400立方米，發酵過程中產生的熱量必須通過低溫循環水帶走。據統計，目前我國的發酵裝置中，動力費用約占發酵液成本的25％～40％, 其中常用的冷卻過程每立方米發酵液每小時需要的電功率為1.6～2.8千瓦時。計算發現，如果發酵培養控制溫度每升高5℃，冷卻水消耗將減少15%。以年產萬噸發酵產品的企業計算，僅冷卻用電可減少172.8萬千瓦時。據中糧集團有限公司統計表明，若發酵控制溫度升高1℃，中糧集團一年就可以降低近1億的成本。對于我國這樣一個以煤電為主的國家，全年將節約用電345600kWh，節約用煤42508噸，二氧化碳減排111373056。因此，提高微生物細胞的耐熱性對于提高生物反應效率、降低控制過程能耗和生產成本至關重要。
BIT-China代表隊構建的微生物智能熱量調控引擎，主要微生物自主耐熱系統和數量調控系統兩個系統。微生物自主耐熱系統拓寬了發酵工程菌的最適溫度范圍，縮短了發酵周期，提高了生產效率，而數量調控基因路線通過控制細胞數量來控制微生物的代謝熱，實現了溫度可調、維持細胞高活力，大大降低了微生物反應過程中的水電成本，達到了節能降耗和二氧化碳減排的效果，為綠色地球貢獻了力量。
在具體技術設計方面，BIT-China代表隊通過提取并篩選嗜熱厭氧菌（最適生長溫度80多度）中較優的熱激蛋白（Heat shock protien）作為耐熱元件，轉化導入到大腸桿菌中，從而提高了大腸桿菌的最適生長溫度，并利用RNA熱敏開關（RNA thermometers）來感應溫度信息，實現不同溫度下，不同數量的熱激蛋白的開啟，通過開啟的熱激蛋白的數量來控制發酵過程中微生物細胞的數量。數量調控體統中，細胞群體感應（quorum sensing）是感應器，通過監控細胞數量來決定下游功能基因是否表達，基因震蕩回路（gene oscillator）和細胞凋亡系統（program cell death）則根據上游信息來控制是否啟動細胞凋亡和數量調控基因線路。
下圖展示的是微生物自主耐熱系統的原理圖，如圖所示的是利用RNA熱敏開關控制基因開啟，表達功能基因熱激蛋白（Hsp）的過程。
下圖所示的是群體感應和數量控制系統的原理圖，從群體感應到震蕩，最后到細胞凋亡，以達到控制數量的目的。
BIT-China代表隊還為此次iGEM大賽的基因元件庫提供了一些新的元件。另外，中糧集團對該研究成果有了合作意向，相信很快就可以看到該科研成果被運用到實際的發酵生產中去。
（審核：生命學院 李春）
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