iSynBio造物联合合成生物学创新大赛推出《大赛项目揭秘专题》，本期为第三期，嘉宾为中山大学SYSU-SynMicrob团队，参赛项目为模块共催化——让不同工程菌各司其职。
联合发布：《合成生物学期刊》、生物世界、iSynBio爱星博、深圳市合成生物学协会。
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为了解决多细胞培养系统的代谢物毒性和传质阻力问题，本项目研发了一种基于SpyTag/ SpyCatcher环化的模块共催化策略。首先以酪氨酸为中间连接分子，将酪氨酸合成途径划分为产酪氨酸的上游模块，以及由酪氨酸合成酪醇的下游模块；然后将上下游模块菌单独培养后混合进行共催化，实现“分工合作”从头催化合成酪醇。
随后又构建了表达Spy环化的羟基酪醇合成模块菌和红景天苷合成模块菌，并分别与上述酪氨酸模块菌和酪醇模块菌混合，进行3菌共催化，分别实现了以葡萄糖为原料从头合成羟基酪醇和红景天苷。
自然界中微生物往往以混菌形式存在。受此启发，近年来也正促使合成生物学的发展从单菌底盘细胞的设计、合成逐步走向构建人工多细胞培养体系。
多细胞共培养体系具有如下有优点：
1）减轻细胞代谢负担；
2）不同外源途径可选用最适底盘细胞；
3）可通过调节模块菌的接种比来控制其适配性；
4）避免不同模块相互影响；
5）即插即用，通过组装不同合成途径以合成各种产物。
因而被广泛应用于医药、食品、化工、环境及能源等领域（fig.1)。但是，由于其菌体生长与产物合成同时空进行，存在代谢物毒性抑制菌体生长、中间代谢物胞间跨膜传质效率低等缺陷，从而影响多细胞培养系统的合成效率。
本项目的主要亮点在于，针对困扰现有多细胞培养体系的两大难题，即细胞膜传质阻力和代谢物的毒害作用，提出了基于Spy环化的模块共催化策略。一方面将细胞生长与产物合成分开进行共催化。在保持多细胞共培养的优点的基础上，避免了代谢中间物和终产物对细胞的毒害。另一方面，将外源途径进行Spy环化，使外源途径酶耐热。这样可通过简单的热处理以增加含Spy环化途径模块菌的通透性，避免传质阻力。
据此，首先以酪氨酸为连接分子，将酪醇合成途径(Fig.2)分割成由葡萄糖从头合成酪氨酸的上游模块和由酪氨酸合成酪醇的下游模块，而且下游模块的酪醇合成途径酶进行了Spy环化。对模块菌进行单独培养后，将其混合至含有葡萄糖的催化体系中，进行模块共催化，实现了酪醇的从头“接力”合成（Fig. 3）。在该体系中，因酪醇合成途径酶进行了Spy环化，单独培养的酪醇模块菌经过热处理以增加细胞通透性，解决了酪氨酸进入下游酪醇模块菌的传质问题。
Fig. 2 酪醇合成代谢网络
fig.3 酪醇及其衍生物“接力”合成流程
为了体现合成生物学的模块化和多细胞体系的即插即用特性，我们又构建了分别表达Spy环化的羟基酪醇合成途径酶和红景天苷合成途径酶的模块菌：羟基酪醇合成模块菌和红景天苷合成菌。分别与酪氨酸模块菌与酪醇模块菌进行共培养，构建了3菌模块共培养系统，分别实现了从头合成羟基酪醇和红景天苷(Fig. 3)。
#指导老师
PI：刘建忠
中山大学生命科学学院教授，中山大学合成生物学研究所所长。
是国内较早研究微生物合成生物学的学者之一，其团队早在2006年就尝试将外源的基因簇引入大肠杆菌，并生成了辅酶Q10、番茄红素、β-胡萝卜素、玉米黄素、虾青素等物质。目前研究方向是高价值天然产物，一类是具有强抗氧化、抗菌等活性的芳香化合物，另一类是类胡萝卜素。
合成生物学是生命科学领域一门新兴的前沿交叉学科和典型的汇聚技术。它通过融合工程科学理念与生命科学原理及基于多学科的使能技术，设计合成新的或改造天然的生命系统，揭示生命规律、构筑新一代工程生物体系；被喻为“认识生命的钥匙”（造物致知）、改变未来的颠覆性技术（造物致用）。
合成生物学创新大赛主要面向在校大学生以及在读硕士研究生。本届创新大赛包括医疗、农业、环境、制造、信息、基础研究及创新应用等多个领域，鼓励学生从兴趣出发，探索合成生物学在不同领域的创新和应用。首届创新大赛将于 2022 年 7月9-10日在深圳理工大学线下举行。
大赛由中国生物工程学会合成生物学分会指导和主办。大赛由二十多家高校和研究所共同发起。大赛的共同承办单位是中国科学院深圳理工大学（筹）合成生物学院、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所、深圳合成生物学创新研究院、深圳市合成生物学协会、 深圳市工程生物产业创新中心、DeepTech。
