【西安實驗室設備】微生物誘變育種的發展趨勢及對育種技術的要求

2023-07-27 14:05:04

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工業微生物通常是指通過工業規模培養能夠獲得特定產品或達到特定社會目的的微生物。其在發酵工業、生物加工、工業酶制造、有機化合物催化轉化、生物能源以及環境保護等各領域均有廣泛應用。

依據獲取方式的不同，西安實驗室設備工業微生物菌種可以分為天然菌種、誘變菌種和重組菌種。其中，天然的工業微生物菌種是從自然界中篩選，通過對目標微生物的富集培養、分離和純化而獲得的性能優良的微生物菌種。自然選育的方法雖然簡單易行，但獲得優良菌種的概率較小，通常難以滿足實際生產需要。誘變菌種則是通過采用物理或化學誘變劑進行人工誘變、自然篩選與分離而獲得的在產量和性狀方面得到改善的工業菌株。與自然選育方法相比，雖然通過使用誘變劑和定向篩選技術加速了誘變菌種的獲得，但誘變所獲得的工業菌株依然是類似于天然菌種的，屬于非遺傳修飾生物體（non-GMO）。相比前面兩類菌種，重組菌種的獲得則需要采用遺傳重組技術，如采用雜交、原生質體融合、代謝工程、基因工程等對菌種進行定向遺傳改良。通過導入外源基因使得生物體發生遺傳整合和形狀改變的重組菌種均屬于遺傳修飾生物體（GMO）。

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以發酵工業為例，由于工業微生物育種技術能夠在基因層面對微生物的遺傳形狀進行改變，從而獲得形狀優良（目標產量高、目標魯棒性強）、適合工業生產的菌株。因此，菌種的選育成為決定該菌種發酵過程成敗與否和其最終的工業化價值的關鍵所在。長期以來，微生物育種主要依靠傳統誘變手段。這些工業方法在工業微生物領域發揮了巨大的作用，但應用這些方法進行微生物育種所遇到的問題主要是工作量大、工作效率低，篩選優良菌株具有盲目性和隨機性，而且所獲得的突變株庫容有限。西安實驗室設備今年來隨著現代分子生物學的發展，分子育種技術逐漸應用到微生物育種領域。通過基因工程、蛋白工程、代謝工程，有目的地改變目標生物體的形狀從而達到菌種選育的目的。這些技術的應用需要專業設備，操作通常比較復雜，而且由于生物代謝系統的復雜性，結果往往無法預期。因此，目前分子育種技術尚未廣泛應用于產業界，成功的案例也非常有限。

微生物育種技術的核心是快速簡便地獲取高容量、多樣性的突變庫。隨著微生物育種技術的不斷發展，誘變的對象范圍需要從單基因向基因組、引入的變異多樣性需要從少向多不斷拓展，以滿足高容量和多樣性突變庫的需求。因此發展高通量、快速穩定、操作簡便的工業微生物誘變育種方法、技術和裝置對于推動現代生物技術的發展和高校獲取適合工業生產的優良菌種十分必要。

近十幾年來，隨著等離子體科學與技術的不斷發展，特別是人們對大氣壓冷等離子體源研究的不斷深入，大氣壓下冷等離子體誘變育種技術得到了迅速發展。事實上，在等離子體生物誘變育種的研究方面，早在20世紀80年代就有學者在低氣壓條件下采用粒子束注入的方法進行生物誘變育種的研究。近幾年來，直接采用氣體放電所形成的非平衡等離子體對生物體進行誘變育種處理受到了來自等離子體物理學、生物學、農業科學等領域的研究者和企業界的關注。

不同類型的等離子體源在生物誘變育種中的應用比較如下表;

方法	可能的作用機理	工作環境	典型特征
低氣壓粒子束注入	將等離子體發生器所產生的低能粒子束注入生物體后發生質量、動量和能量的沉積和電荷交換過程，從而引起生物體遺傳物質的改變，并可能改變細胞的跨膜電位	低氣壓，真空環境0.001～1Pa	突變譜廣，突變率高，遺傳穩定。真空條件下生物體大量水分蒸發，既破壞了束線真空，又使樣品急劇冷卻或過度失水而失去活性，從而影響等離子體生物效應的發揮。真空系統的建立和運行成本高昂。
大氣壓介質阻擋放電	氣體放電區的帶電粒子、中性活性粒子、臭氧、紫外線、強電場、熱效應等均可能導致生物體發生突變。	大氣壓條件下等離子體放電區	操作簡單，成本低，無毒性，突變率高，放電電壓通常在10Kv量級。在等離子體放電區對生物體進行處理，操作空間狹小，被處理樣品尺寸受到限制。高強度放電絲有可能對生物體產生強烈的熱效應和致死效應。影響生物體突變的因素復雜，不易控制誘變效果，導致生物體突變的主要因素尚待進一步深入研究。
大氣壓射頻輝光放電等立體射流	等離子體射流區的中性活性粒子和帶電粒子可能是導致生物基因突變的主要因素，臭氧和紫外線的作用相對較弱，而電場對生物體的作用則可以忽略不計。	大氣壓條件下等離子體射流	裝置結構簡單，建造和使用成本低，操作簡便安全可靠。放電均勻性好、等離子體射流區氣體溫度低且可控性好，易于控制致死率，被處理樣品尺寸不受等離子體發生器的尺寸和結構限制。環境友好，無污染，突變廣譜性好，突變率高，突變庫容大，遺傳穩定性好。影響突變效果的因素相對較少，有利于控制突變效果。放電模式受等離子體工作氣體化學成分影響較大。環境氣體對等離子體射流特性及等離子體誘變效果的研究有待深入。

采用裸露金屬電極的等離子體發生器所產生的等離子體有時也簡稱為常壓室溫等離子體，是近些年來發展出來的新的適應于生物技術領域的大氣壓非平衡等離子體源。它能夠在常壓下產生溫度25℃～40℃之間，具有高活性粒子（如處于激發態的氦原子、氧原子、氮原子、OH自由基）濃度的等離子體射流。西安實驗室設備相比其它誘變技術，RF-APGD等離子體射流誘變育種技術的顯著特點是滿足操作簡便、設備簡單、安全性高、誘變速度快的基礎上，一次誘變操作（數分鐘以內）可產生2～10萬個突變體，具有突變率高，突變庫容大的特點。特備是，由于RF-APGD工作氣源種類、流量、放電功率、處理時間等條件均可控，通過改變儀器操作條件，可以大大提高菌種突變強度和突變庫容，結合篩選壓力，能夠成為一種新的誘變育種技術。，而且具備其它誘變育種技術不具備的優勢和潛力。