Research press release


Nature Communications

Biotechnology: SCRaMbLEing chromosomes to improve yeast


出芽酵母(Saccharomyces cerevisiae)は広く用いられている工業用生物で、特定の生成物を合成し、あるいは過酷な工業条件に耐えられるように酵母株を適応させる必要がある。SCRaMbLEシステムは、酵母の合成染色体上の遺伝子を再編成して遺伝的多様性を生み出すシステムであり、それによって得られた酵母株が所定の目標(例えば、生成物合成の改善)に従って選択される。しかし、それぞれの染色体を1コピーしか持たない一倍体酵母の場合には、必須遺伝子が欠失すると、生産性の高い酵母株であっても死滅する。

今回、Jef Boekeたちの研究グループは、合成染色体を持つ酵母を野生型出芽酵母または近縁種(S. paradoxus)と接合させることで、この問題に取り組んだ。Boekeたちは、酵母株を摂氏42度、および高濃度カフェイン環境下での増殖にそれぞれ適応させることに成功し、二倍体の子孫は一倍体の子孫よりもロバストであることを実証した。また、二倍体酵母には「予備の」野生型染色体があるため、元の一倍体酵母株では失えば死滅すると考えられる必須遺伝子を、合成染色体から欠失させることができた。

一方、Tom Ellisたちの研究グループは、完全合成染色体Vを有する酵母株にSCRaMbLEを用いて、薬物合成を改善し、酵母株が別の糖供給源を代謝するように適応させた。また、Ellisたちは、この酵母株にペニシリンの生合成経路を付加し、ゲノムにSCRaMbLEを適用したところ、これまでの研究成果と比べて収量が倍増した。さらに、Ellisたちは同じ方法を用いて、木材由来のバイオマスとして広く用いられているキシロース中でも増殖できる酵母株を生成した。

Demonstrations of the SCRaMbLE (Synthetic Chromosome Recombination and Modification by LoxP-Mediated Evolution) system in synthetic chromosomes in yeast to produce rapid strain evolution are presented by the Sc2.0 project in a series of papers in Nature Communications.

Saccharomyces cerevisiae is a commonly-used industrial organism and strains need to be adapted to produce specific products or tolerate harsh industrial conditions. The SCRaMbLE system is designed to generate a large amount of genetic diversity by rearranging genes on a synthetic chromosome with the resulting strains then selected for based on the desired goal, such as improved product synthesis. However, in haploid yeast with only one copy of each chromosome, deletion of essential genes can kill otherwise potentially productive strains.

Jef Boeke and colleagues tackled this problem by mating yeast with synthetic chromosomes to wild-type S. cerevisiae or a closely related species, S. paradoxus. The diploid progeny were more robust than haploid strains, demonstrated by adapting the yeast to grow at 42°C and when exposed to high caffeine levels. The ‘back up’ wild-type chromosomes allowed the diploid yeast to delete essential genes from the synthetic chromosome, which would have been lethal in the original strains.

In another paper, Tom Ellis and colleagues used SCRaMbLE on a yeast strain carrying a fully synthetic chromosome V to improve drug synthesis and adapt the strain to metabolise an alternative sugar source. The team added the biosynthesis pathway for penicillin to their yeast and SCRaMbLE the genome, improving yield two-fold over previous attempts. They also used the technique to evolve yeast strains that can grow on xylose, which is found in high abundance in wood-derived biomass.

On publication, the collection will be available at the following URL:

This collection highlights the experimental work published at Nature Communications on redesigning the S. cerevisiae genome along with commentary from the community about the potential applications and implications of this work for synthetic biology, biotechnology and our understanding of the genome.

doi: 10.1038/s41467-018-03143-w


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