引言
“在超过45万个陆生植物物种中，只有几千个物种被研究过，而被测序过的物种则更少。”植物生物工程师Sebastian Cocioba解释道：“由于属于完全不同的科和门，实际上大量植物和拟南芥的关系并不密切。”
现在，合成生物学公司及研究人员已经把目光放到模式生物以外，开始在生命之树上以前未被充分研究的物种中寻找新分子和新机制。
拟南芥，基因研究中最常用的植物物种之一
对非模式生物的研究不必局限于发现新的代谢物。“比方说，有一些代谢途径是属于这一门的植物所独有的”，Cocioba说道：“与其试图在拟南芥或烟草中构建这种基因回路，为什么我们不尝试驯化天然存在这种基因回路的植物呢？”
对非模式生物的改造
橡树岭国家实验室的合成生物学家Carrie Eckert说：“非模式生物往往有很多你无法在模式生物系统中轻易构建的表型。然而，模式生物的便利之处在于其拥有成熟的遗传工具，因此，研究非模式生物必须为其设计专门的工具。”
在过去十年间，测序成本的下降极大地促进了对非模式生物的研究，因为这使得对其整个基因组和转录组的测序分析变得可行。从事非模式哺乳动物系统研究的生物技术公司Fauna Bio的首席运营官Katharine Grabek表示：“现在，我们可以从碱基对的尺度进行研究。”
然而，植物测序仍是一项充满挑战的工作，尤其是对于那些资金短缺的实验室或处于起步阶段的初创公司而言。许多植物基因组富含重复序列和转座子，而且有很多植物是多倍体。因此，“大多数植物的基因组大小是人类基因组的数倍。组装这些基因组需要更多的计算能力，”Cocioba说道。
不过，如果这种植物是作为特化模型而培育的，那么能够对其进行培养并研究其基因表达就足够了。与一般模型相比，特化模型指为研究特定性状（如耐旱性）而培育的生物体。总的来说，在研究植物新物种时，难以转化和进行组织再生是两个最主要的挑战。
译者注：转基因植物的高效生产依赖于两个关键步骤：转化（向宿主细胞中转移和表达基因）和再生（从转化的细胞形成可育植物的能力）。对于许多物种来说，转化和再生是获得转基因植物的瓶颈。
常见植物转化技术，包括农杆菌介导的转化、粒子轰击以及基于纳米颗粒和病毒的RNA递送系统。
为了克服这一障碍，研究人员根据对植物再生过程中转录因子作用的了解，开发了一系列新工具。Cocioba解释道：“有一些技术，比如Baby Boom，它是两种不同转录因子形成的嵌合体，能够克服一些植物难以进行基因转化的问题。”
“同样地，在转化非模式细菌时，一个主要的限制因素是，它们能识别转入它们体内的任何外来DNA，并清除它们，”Eckert补充道：“细菌通过甲基化模式来区分自身和外来DNA，我们能做的就是找到产生这些甲基化模式的酶，并在我们用于克隆DNA的大肠杆菌中表达这些酶。这样就能使目标细菌接受外来DNA，从而更容易对它们进行基因工程改造。”
精确高效的基因编辑工具（如CRISPR）也为各种非模式生物的研究提供了可能。对于培育植物来说，如果有抑制因子参与了植物抵抗转化的机制，用CRISPR就能将其编辑掉。
在非模式生物中，CRISPR干扰技术还能用于揭示新基因的功能。此外，全基因组CRISPR筛选技术还能用于揭示哪些基因对植物的适应性、代谢产物生成所涉及的途径以及它们之间的联系非常重要。
在面临大量选择时，高通量功能基因组学和比较基因组学还可以为选择哪种非模式生物提供信息。生物技术公司Arcadia通过在不同生物尺度上追踪生命树的模式来实现这一目标。
Arcadia公司的首席执行官Seemay Chou表示：“由于并非所有基因都与整个生物体有着相同的进化历史，因此你可以从中发现一些有趣的模式”，“研究后可能会发现很多新奇的例子，比如基因家族的突然扩大或出现，根据所需要的能力，该公司的平台能够预测哪些生物可能是理想的生物。”
非模式生物的应用
通常情况下，非模式生物在实验室中生长时可能会表现出较低的适应性。改变基因组，只保留其中必要的部分，就能够克服这一难题。通过全基因组CRISPR筛选绘制基因型-表型关系图，科学家们能够确定哪些基因对非模式生物系统至关重要。这样就可以创建一个基因组经过删减的底盘系统，以提高遗传稳定性、资源利用率和转化效率，进而提高所需产物的产量。
非模式生物，尤其是微生物，特别适合被用于环境保护。这是因为它们有着很强的抗压能力和新陈代谢途径，能够适应生活在污染地区的环境。例如，科学家在微生物体内发现了多种可以分解塑料的酶。虽然分离这些酶也是一种有效的选择，但利用这些微生物直接转化塑料或其它废物可以显著提高降解效率。
Eckert的研究专注于那些导致生物体能够耐受某种环境或利用某种物质的遗传因子，他的研究对象之一是假单胞菌，这是一种非模式土壤细菌。Eckert表示：“我们为它开发了基因工具，它正在成为可分解木质素微生物的模型系统。”
微生物降解塑料示意图，由DALL-E生成
对非模式生物的研究也有助于造福人类健康，Arcadia在蜱虫方面的工作已经确定了一组真正有效的止痒分子。蜱虫在叮咬动物时并不会因为让动物瘙痒而被驱散，关键在于其唾液中的一些分子。
Fauna Bio公司对十三线地松鼠的组织进行了单细胞转录组学研究，这种动物每年可以冬眠六个多月，在冬眠期间，这些动物的身体可以承受4~8℃的低温，并且细胞不会受到损伤。为了发现导致这一现象的关键机制，Fauna Bio公司研究了冬眠时表达发生变化的基因，并将其与人类和其他哺乳动物基因组进行比较，希望发现逆转人类疾病中细胞损伤的方法。
Grabek说道：“我们正开始研究其它具有极端生理机能的动物，比如刺鼠，这种动物有着令人印象深刻的再生能力，其多个组织都可以愈合而不留疤痕。”在公司的另一个项目中，研究人员模拟了宇航员在太空中的经历，让地松鼠长期接受低剂量辐射，以研究冬眠过程是否能起到保护作用。
扩大规模
为了寻找设计花朵的模板，Cocioba试验了很多不同的白色花朵。最终，他母亲在农贸市场买来的一种没有标签的牵牛花让他眼前一亮。“过去我们一直在与牵牛花较劲，因为许多商业栽培品种都很顽固（难以转化和组织再生）。我尝试了这种牵牛花，它是我用过的组织培养速度最快的植物。”
这个例子说明了非模式生物如何为我们带来惊喜，此外，它们还有助于帮助人们克服规模扩大过程所面临的挑战。Chou解释道：“也许能提高一个数量级生产规模的方法不是继续改造大肠杆菌，而是采用一种全新的底盘。”
随着合成生物学的进步，生物工程变得更加容易，研究人员也将继续探索更多样、更具弹性的生命形式。它们将被应用于可持续发展、人类健康和工业领域。另外，对这些非模式生物的研究也能揭示更多基因成分和功能，从而扩大合成生物学的规模和范围，形成正反馈的循环。
文章来源：
Non-Model Organisms Expand the Repertoire of Synthetic Biology
作者/捉蝴蝶的猫
审核/斯特拉
编辑/斯特拉