光合作用是地球上最重要的化学反应之一。
绿色植物利用光能把二氧化碳和水合成有机物并释放氧气，这个过程对于维持地球大气的碳 - 氧平衡具有重要意义，同时，也为地球上的生命直接或间接地提供了生存所需要的物质和能量。
植物细胞中的叶绿体是进行光合作用的关键。能否借助叶绿体通过光合作用来定向生产人们需要的化合物呢？答案是肯定的。
微型染色体：叶绿体转基因的新工具
今年 6 月，法国生物技术公司 Algentech 总裁兼首席执行官 Alexander Sorokin 团队在 Nature Plants 发表了一篇题为 “Replicating minichromosomes as a new tool for plastid genome engineering” 的论文。
图｜复制微染色体作为质体基因组工程的新工具（来源：Algentech 官网）
研究人员开发出了一种在叶绿体中导入和表达转基因的新方法，与传统策略不同，该方法不需要将转基因插入叶绿体基因组。相反地，转基因作为一个物理上独立的实体被放大，称为 “微型染色体”。扩增发生在存在辅助蛋白的情况下，该辅助蛋白通过识别转基因两侧的特定序列启动复制过程，导致转基因 DNA 以极高的水平积累。
重要的是，研究人员证明了这种扩增的转基因作为外源蛋白表达的模板，在植物发育过程中保持稳定，并通过母体传递给后代。这些发现表明，基于 “微型染色体” 的方法是叶绿体转基因表达和细胞器基因组工程的一个有潜力的工具。
这项研究证明了 “微型染色体” 可以作为植物中蛋白表达的模板，不仅缩短了筛选过程，而且减弱了转基因过程对蛋白表达的不利影响。更为关键的是，这一策略为至今为止无法进行细胞器修饰的生物体开发质体转化方法提供了参考，在合成生物学领域应用前景非常广泛。
可在叶绿体中高表达蛋白和核酸
质体（Plastid）是一类与碳水化合物的合成与贮藏密切相关的细胞器，它是植物细胞特有的结构。根据色素的不同，质体大体可分成三种类型：叶绿体、色质体和白色体。叶绿体（Chloroplast）是含有叶绿素的质体，是高等植物和一些藻类中能进行光合作用的细胞器。
相较于细胞核转基因， 质体转基因具有诸多优势：第一，实现高产蛋白质和生物化合物生产的可能性；第二，由于缺乏表观遗传或转录后基因沉默机制，蛋白质表达的稳定性；第三，由于质体 DNA 的母系遗传，减少了不良转基因传播的风险；第四，由于叶绿体翻译机制的原核性质，多顺反子单位的表达可能性，促进了复杂的代谢途径工程。
质体转化常见的方法是将转基因 DNA 导入细胞器中，转基因插入是通过转基因两侧叶绿体转化载体中存在的质体和质体靶向序列之间的两个同源重组事件进行的。叶绿体转化的困难在于质体的高度多倍体，在单个细胞中存在多达 10,000 个质体 DNA 拷贝。为了获得稳定的转基因细胞系，需要保持选择压力直到达到同源状态，以此消除所有没有转基因的质体 DNA 副本。
图｜植物细胞叶绿体（来源：Algentech官网）
Algentech 公司开发的这项技术是基于叶绿体，而叶绿体是植物细胞进行光合作用的细胞器。与传统的微生物有机生产系统相比，这项技术有一个显著的优势：利用太阳能作为能源，在消耗二氧化碳（CO2）的同时生产高价值产物，如此一来，植物就变成了真正的绿色、可持续和环保的生产工厂。
目前，Algentech 公司在烟草、大豆、胡萝卜和水扁豆中进行了测试，后续可转移到广泛的陆生植物物种中，但也有可能转移到光合作用藻类中，因为这些藻类的细胞核心也含有叶绿体。
除了拥有较高的产量（可达到总可溶性蛋白质的 70%）之外，Algentech 开发的技术还提供了完整转移生物合成途径的可能性，即在现有技术仅限于整合少数基因的情况下实现了 15-20 个基因在植物细胞中的同时表达。这项技术使其成为合成生物学和绿色化学在多个领域应用的首选方法，包括生产肽、核酸、酶、治疗化合物和制药、化妆品等等。
该技术使得在植物叶绿体中产生高水平的蛋白质和核酸成为了可能，同时这也是许多企业最感兴趣的技术突破，它们一直在寻找可持续的生物生产平台。
用植物叶绿体生产高值产物
Algentech 成立于 2009 年，总部位于法国埃弗里，该公司专注开发用于基因编辑和合成生物学工具应用的尖端技术，将植物细胞用作绿色工厂来生产多种高价值产物。
该公司首席执行官兼科学家 Isabelle Malcuit 表示：“我们的目标是解决基因组工程领域的技术瓶颈，并将新方法推向市场。我们有两项核心技术，第一，开发了用于改进基于核酸酶的基因组编辑的分子工具，这主要应用于农业作物改良。第二，叶绿体技术，我们开发了自我复制的分子，这些分子构成了光合细胞合成生物学领域的游戏规则改变者。”
微型染色体扩增技术能够转移植物叶绿体中高表达的整个生物合成途径，单位不整合在叶绿体基因组中，使大多数顺反子单位能够独立地高表达。专有的叶绿体转移技术依赖于从细胞核组成性表达的基因单位，作为无限分子源，可通过独特的运输系统靶向这些细胞器。
图｜Algentech 首席执行官兼科学家 Isabelle Malcuit（来源：Algentech 官网）
Isabelle Malcuit 博士说：“在欧洲工业生产政策不断变化的背景下，新开发的技术使 Algentech 能够将自己定位为法国生物生产的参与者，以尊重环境的可持续方式，满足在国家层面加强和多样化工业能力的需要。”
如今，Algentech 公司与工业界和学术界建立了伙伴关系，借助生物合成平台生产天然生物农药分子和一些酶。公司对扩展应用领域和提高生产能力的新合作持开放态度。例如，以生物方式生产角鲨烯，可用于化妆品行业并作为疫苗佐剂，或参与生物氢生产的酶，作为参与能源转型的可再生能源来源。
前不久，Algentech 获得欧洲航天局的资助，用于开展一项名为 “用于太空探索的环境适应性植物” 的项目，该项目旨在研究和培育能够在高氯酸盐污染土壤中生长的植物，同时还将测试不同的化合物对植物的电离辐射保护。可以预见的是，该项目一旦成功，还将会对地球产生积极的影响，毕竟土壤中的高氯酸盐污染难以管理，而加强植物修复可以为目前的处理提供一种更便宜、更清洁的替代方案。
氢是化石燃料中最清洁的替代品之一，而生物质是最丰富的可再生资源，这两者的结合也是 Algentech 的一个新项目，旨在从植物生物质中高效、低成本地生产氢气。
“我们的技术将用于生产将植物生物质加工成糖所需的酶复合物，并将其用作生物制氢的底物，我们刚刚申请了由五个欧洲实验室组成的财团的资助。”Malcuit 说道。
对于 Algentech 未来的发展方向，Malcuit 表示：“我们已经在实验室层面展示了我们技术的力量，下一步是扩大规模，我们正在积极寻找工业合作伙伴进一步推进，但想要实现大规模产业化至少还得需要三年的开发时间。”
合成生物学将为农业生产注入新动力
据联合国粮农组织估计，到 2050 年，粮食产量需要增加 70％才能满足全球人口需求，农业发展不仅要满足不断增长的人口对粮食的需求，还要考虑如何在全球气候变化和有限土地资源的背景下以可持续和快速发展的方式进行，如今亟待创新的解决方案来提高粮食生产力和营养质量。
图｜合成生物学或将掀起农业变革（来源：Pixabay）
近些年，合成生物学发展迅速，其以工程化的设计理念对生物体进行有目的的设计和改造，将为破解人类面临的资源、环境等领域重大挑战提供新的解决方案。合成生物学的出现成为农业持续增长的关键和未来农业发展的方向，其利用植物作为宿主生产蛋白质和高价值化合物，这在提高农业生产力、食品质量、实现可持续、降低生产成本等方面具有很大潜力。
就现阶段而言，生物合成途径的规模化解析和元件库建设、生物途径高通量组装和优化、人造系统的调试等方面还处于初级发展阶段，人工智能等自动化技术参与程度较低。
Algentech 开发的新技术给业界一个很好的启示，使在植物叶绿体中生产蛋白质和核酸成为可能，将植物细胞变成真正意义上的绿色工厂，用于高产量生产工业应用中的高价值化合物，包括植物制药、化妆品、酶、生物表面活性剂、沼气等。
参考资料：
[1] Anna Jakubiec, Alena Sarokina, Sandrine Choinard, Florina Vlad, Isabelle Malcuit, Alexander P. Sorokin. Replicating minichromosomes as a new tool for plastid genome engineering. Nature Plants 7, 932–941 (2021).
[2] DAI Zhubo, WANG Yong, ZHOU Zhihua, LI Shengying, ZHANG Xueli. Synthetic Biology for Production of Plant-derived Natural Products[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2018, 33(11): 1228-1238
[3]https://emag.directindustry.com/algentech-changing-the-game-for-industry-with-synthetic-biology/
[4]https://www.genopole.fr/temps-forts/espace-presse/communiques-de-presse/algentech-production-chloroplastes/
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