“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(shí)際上大量植物和擬南芥的關(guān)系并不密切?！?/span>
現(xiàn)在，合成生物學(xué)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(jī)制。
對非模式生物的改造
橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的合成生物學(xué)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?！?/span>
在過去十年間，測序成本的下降極大地促進(jìn)了對非模式生物的研究，因?yàn)檫@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(yùn)營官Katharine Grabek表示：“現(xiàn)在，我們可以從堿基對的尺度進(jìn)行研究?！?/span>
然而，植物測序仍是一項(xiàng)充滿挑戰(zhàn)的工作，尤其是對于那些資金短缺的實(shí)驗(yàn)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(fù)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(jìn)行培養(yǎng)并研究其基因表達(dá)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(jìn)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(jìn)行基因轉(zhuǎn)化的問題?！?/span>
“同樣地，在轉(zhuǎn)化非模式細(xì)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(bǔ)充道：“細(xì)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(dá)這些酶。這樣就能使目標(biāo)細(xì)菌接受外來DNA，從而更容易對它們進(jìn)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(jī)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(yīng)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(xué)和比較基因組學(xué)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
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(jìn)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(kuò)大或出現(xiàn)，根據(jù)所需要的能力，該公司的平臺能夠預(yù)測哪些生物可能是理想的生物。”
非模式生物的應(yīng)用
通常情況下，非模式生物在實(shí)驗(yàn)室中生長時可能會表現(xiàn)出較低的適應(yīng)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(xué)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(jìn)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(hù)。這是因?yàn)樗鼈冇兄軓?qiáng)的抗壓能力和新陳代謝途徑，能夠適應(yīng)生活在污染地區(qū)的環(huán)境。例如，科學(xué)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(dǎo)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(xì)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?yàn)樽寗游镳W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(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)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(xì)胞不會受到損傷。為了發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這一現(xiàn)象的關(guān)鍵機(jī)制，F(xiàn)auna Bio公司研究了冬眠時表達(dá)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(jìn)行比較，希望發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)人類疾病中細(xì)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(jī)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?！痹诠镜牧硪粋€項(xiàng)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(hù)作用。
擴(kuò)大規(guī)模
為了尋找設(shè)計花朵的模板，Cocioba試驗(yàn)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(biāo)簽的牽?；ㄗ屗矍耙涣??！斑^去我們一直在與牽?；ㄝ^勁，因?yàn)樵S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?；ǎ俏矣眠^的組織培養(yǎng)速度最快的植物?！?/p>
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(kuò)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?！?/p>
隨著合成生物學(xué)的進(jìn)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(yīng)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(kuò)大合成生物學(xué)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）
