“在超過45萬個陸生植物物種中，只有幾千個物種被研究過，而被測序過的物種則更少。”植物生物工程師Sebastian Cocioba解釋道：“由于屬于完全不同的科和門，實際上大量植物和擬南芥的關(guān)系并不密切。”
現(xiàn)在，合成生物學公司及研究人員已經(jīng)把目光放到模式生物以外，開始在生命之樹上以前未被充分研究的物種中尋找新分子和新機制。
對非模式生物的改造
橡樹嶺國家實驗室的合成生物學家Carrie Eckert說：“非模式生物往往有很多你無法在模式生物系統(tǒng)中輕易構(gòu)建的表型。然而，模式生物的便利之處在于其擁有成熟的遺傳工具，因此，研究非模式生物必須為其設(shè)計專門的工具。”
在過去十年間，測序成本的下降極大地促進了對非模式生物的研究，因為這使得對其整個基因組和轉(zhuǎn)錄組的測序分析變得可行。從事非模式哺乳動物系統(tǒng)研究的生物技術(shù)公司Fauna Bio的首席運營官Katharine Grabek表示：“現(xiàn)在，我們可以從堿基對的尺度進行研究。”
然而，植物測序仍是一項充滿挑戰(zhàn)的工作，尤其是對于那些資金短缺的實驗室或處于起步階段的初創(chuàng)公司而言。許多植物基因組富含重復序列和轉(zhuǎn)座子，而且有很多植物是多倍體。因此，“大多數(shù)植物的基因組大小是人類基因組的數(shù)倍。組裝這些基因組需要更多的計算能力，”Cocioba說道。
不過，如果這種植物是作為特化模型而培育的，那么能夠?qū)ζ溥M行培養(yǎng)并研究其基因表達就足夠了。與一般模型相比，特化模型指為研究特定性狀（如耐旱性）而培育的生物體。總的來說，在研究植物新物種時，難以轉(zhuǎn)化和進行組織再生是兩個最主要的挑戰(zhàn)。
為了克服這一障礙，研究人員根據(jù)對植物再生過程中轉(zhuǎn)錄因子作用的了解，開發(fā)了一系列新工具。Cocioba解釋道：“有一些技術(shù)，比如Baby Boom，它是兩種不同轉(zhuǎn)錄因子形成的嵌合體，能夠克服一些植物難以進行基因轉(zhuǎn)化的問題。”
“同樣地，在轉(zhuǎn)化非模式細菌時，一個主要的限制因素是，它們能識別轉(zhuǎn)入它們體內(nèi)的任何外來DNA，并清除它們，”Eckert補充道：“細菌通過甲基化模式來區(qū)分自身和外來DNA，我們能做的就是找到產(chǎn)生這些甲基化模式的酶，并在我們用于克隆DNA的大腸桿菌中表達這些酶。這樣就能使目標細菌接受外來DNA，從而更容易對它們進行基因工程改造。”
精確高效的基因編輯工具（如CRISPR）也為各種非模式生物的研究提供了可能。對于培育植物來說，如果有抑制因子參與了植物抵抗轉(zhuǎn)化的機制，用CRISPR就能將其編輯掉。
在非模式生物中，CRISPR干擾技術(shù)還能用于揭示新基因的功能。此外，全基因組CRISPR篩選技術(shù)還能用于揭示哪些基因?qū)χ参锏倪m應性、代謝產(chǎn)物生成所涉及的途徑以及它們之間的聯(lián)系非常重要。
在面臨大量選擇時，高通量功能基因組學和比較基因組學還可以為選擇哪種非模式生物提供信息。生物技術(shù)公司Arcadia通過在不同生物尺度上追蹤生命樹的模式來實現(xiàn)這一目標。
Arcadia公司的首席執(zhí)行官Seemay Chou表示：“由于并非所有基因都與整個生物體有著相同的進化歷史，因此你可以從中發(fā)現(xiàn)一些有趣的模式”，“研究后可能會發(fā)現(xiàn)很多新奇的例子，比如基因家族的突然擴大或出現(xiàn)，根據(jù)所需要的能力，該公司的平臺能夠預測哪些生物可能是理想的生物。”
非模式生物的應用
通常情況下，非模式生物在實驗室中生長時可能會表現(xiàn)出較低的適應性。改變基因組，只保留其中必要的部分，就能夠克服這一難題。通過全基因組CRISPR篩選繪制基因型-表型關(guān)系圖，科學家們能夠確定哪些基因?qū)Ψ悄Ｊ缴锵到y(tǒng)至關(guān)重要。這樣就可以創(chuàng)建一個基因組經(jīng)過刪減的底盤系統(tǒng)，以提高遺傳穩(wěn)定性、資源利用率和轉(zhuǎn)化效率，進而提高所需產(chǎn)物的產(chǎn)量。
非模式生物，尤其是微生物，特別適合被用于環(huán)境保護。這是因為它們有著很強的抗壓能力和新陳代謝途徑，能夠適應生活在污染地區(qū)的環(huán)境。例如，科學家在微生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了多種可以分解塑料的酶。雖然分離這些酶也是一種有效的選擇，但利用這些微生物直接轉(zhuǎn)化塑料或其它廢物可以顯著提高降解效率。
Eckert的研究專注于那些導致生物體能夠耐受某種環(huán)境或利用某種物質(zhì)的遺傳因子，他的研究對象之一是假單胞菌，這是一種非模式土壤細菌。Eckert表示：“我們?yōu)樗_發(fā)了基因工具，它正在成為可分解木質(zhì)素微生物的模型系統(tǒng)。”
對非模式生物的研究也有助于造福人類健康，Arcadia在蜱蟲方面的工作已經(jīng)確定了一組真正有效的止癢分子。蜱蟲在叮咬動物時并不會因為讓動物瘙癢而被驅(qū)散，關(guān)鍵在于其唾液中的一些分子。
Fauna Bio公司對十三線地松鼠的組織進行了單細胞轉(zhuǎn)錄組學研究，這種動物每年可以冬眠六個多月，在冬眠期間，這些動物的身體可以承受4~8℃的低溫，并且細胞不會受到損傷。為了發(fā)現(xiàn)導致這一現(xiàn)象的關(guān)鍵機制，F(xiàn)auna Bio公司研究了冬眠時表達發(fā)生變化的基因，并將其與人類和其他哺乳動物基因組進行比較，希望發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)人類疾病中細胞損傷的方法。
Grabek說道：“我們正開始研究其它具有極端生理機能的動物，比如刺鼠，這種動物有著令人印象深刻的再生能力，其多個組織都可以愈合而不留疤痕。”在公司的另一個項目中，研究人員模擬了宇航員在太空中的經(jīng)歷，讓地松鼠長期接受低劑量輻射，以研究冬眠過程是否能起到保護作用。
擴大規(guī)模
為了尋找設(shè)計花朵的模板，Cocioba試驗了很多不同的白色花朵。最終，他母親在農(nóng)貿(mào)市場買來的一種沒有標簽的牽牛花讓他眼前一亮。“過去我們一直在與牽牛花較勁，因為許多商業(yè)栽培品種都很頑固（難以轉(zhuǎn)化和組織再生）。我嘗試了這種牽牛花，它是我用過的組織培養(yǎng)速度最快的植物。”
這個例子說明了非模式生物如何為我們帶來驚喜，此外，它們還有助于幫助人們克服規(guī)模擴大過程所面臨的挑戰(zhàn)。Chou解釋道：“也許能提高一個數(shù)量級生產(chǎn)規(guī)模的方法不是繼續(xù)改造大腸桿菌，而是采用一種全新的底盤。”
隨著合成生物學的進步，生物工程變得更加容易，研究人員也將繼續(xù)探索更多樣、更具彈性的生命形式。它們將被應用于可持續(xù)發(fā)展、人類健康和工業(yè)領(lǐng)域。另外，對這些非模式生物的研究也能揭示更多基因成分和功能，從而擴大合成生物學的規(guī)模和范圍，形成正反饋的循環(huán)。
（文章來源：萬物生物合成）
