清華新聞網(wǎng)4月17日電 微生物細(xì)胞工廠(chǎng)為植物天然產(chǎn)物的綠色制造提供了重要途徑，在醫(yī)藥、食品和精細(xì)化工等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。然而，在實(shí)際生產(chǎn)和長(zhǎng)期培養(yǎng)過(guò)程中，工程菌株往往會(huì)出現(xiàn)“菌株退化”或“生產(chǎn)丟失”的問(wèn)題。這是由于合成目標(biāo)產(chǎn)物通常會(huì)增加細(xì)胞的代謝負(fù)擔(dān)，高產(chǎn)細(xì)胞在群體競(jìng)爭(zhēng)中反而處于劣勢(shì)，最終被低產(chǎn)甚至不產(chǎn)的細(xì)胞取代，導(dǎo)致整體生產(chǎn)能力逐漸下降。這一問(wèn)題長(zhǎng)期制約著微生物細(xì)胞工廠(chǎng)在工業(yè)化生產(chǎn)中的穩(wěn)定性與可靠性，因此，如何在細(xì)胞群體層面保持穩(wěn)定并維持高產(chǎn)表型，成為合成生物學(xué)和代謝工程領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。
針對(duì)這一問(wèn)題，清華大學(xué)化工系李春教授課題組合作提出了一種生物傳感器驅(qū)動(dòng)的生長(zhǎng)-合成耦合策略，通過(guò)將產(chǎn)物合成與細(xì)胞生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)相連接，使高產(chǎn)細(xì)胞能夠在群體競(jìng)爭(zhēng)中持續(xù)被富集，從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)表型的穩(wěn)定維持。
研究人員首先利用轉(zhuǎn)錄組分析比較了能夠合成目標(biāo)三萜產(chǎn)物甘草次酸（glycyrrhetinic acid, GA）的釀酒酵母工程菌株與對(duì)照菌株之間的轉(zhuǎn)錄響應(yīng)差異，從中篩選出對(duì)GA具有顯著響應(yīng)的啟動(dòng)子元件PDR5。通過(guò)系統(tǒng)的啟動(dòng)子工程優(yōu)化使該生物傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍顯著提升，從而開(kāi)發(fā)了一個(gè)高靈敏度的GA生物傳感系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，研究人員構(gòu)建了一個(gè)“生產(chǎn)依賴(lài)”型調(diào)控回路，將GA生物傳感器與酵母必需基因的表達(dá)相耦合，使細(xì)胞的生長(zhǎng)能力依賴(lài)于目標(biāo)產(chǎn)物的合成水平。通過(guò)這一策略，只有能夠持續(xù)合成GA的細(xì)胞才能獲得生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，而低產(chǎn)或不產(chǎn)的細(xì)胞則逐漸在群體競(jìng)爭(zhēng)中被淘汰。經(jīng)過(guò)定向進(jìn)化后，該系統(tǒng)不僅顯著提高了工程菌株的產(chǎn)量，還有效抑制了長(zhǎng)期培養(yǎng)過(guò)程中常見(jiàn)的產(chǎn)量衰減現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞工廠(chǎng)生產(chǎn)表型的穩(wěn)定化。
基于生物傳感器構(gòu)建“生產(chǎn)依賴(lài)”型調(diào)控回路，揭示酵母細(xì)胞工廠(chǎng)進(jìn)化機(jī)制
為了進(jìn)一步理解這一系統(tǒng)在細(xì)胞群體中的作用機(jī)制，研究人員利用單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)對(duì)生產(chǎn)能力進(jìn)化與退化的菌株進(jìn)行了深入解析。結(jié)果表明，在生長(zhǎng)-合成耦合系統(tǒng)下，細(xì)胞群體并未趨于完全均一，而是形成了具有不同功能特征的細(xì)胞亞群。其中部分細(xì)胞主要承擔(dān)快速增殖、抗逆功能，而另一部分細(xì)胞則高度表達(dá)三萜合成通路相關(guān)基因，成為主要的產(chǎn)物合成群體。這種類(lèi)似“分工合作”的群體結(jié)構(gòu)，使得細(xì)胞工廠(chǎng)能夠在保持整體生長(zhǎng)能力的同時(shí)維持較高的代謝生產(chǎn)效率。進(jìn)一步結(jié)合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究人員還識(shí)別出若干在非生產(chǎn)細(xì)胞中高表達(dá)的“生產(chǎn)拮抗”基因，并通過(guò)基因工程改造進(jìn)一步提升了GA等三萜化合物的合成水平。
該研究構(gòu)建了一種從生物傳感器挖掘、代謝耦合調(diào)控到單細(xì)胞解析優(yōu)化的系統(tǒng)化策略，不僅為解決細(xì)胞工廠(chǎng)生產(chǎn)穩(wěn)定性問(wèn)題提供了新的技術(shù)路徑，也揭示了工程微生物群體在高效代謝生產(chǎn)過(guò)程中的潛在分工機(jī)制。相關(guān)成果為未來(lái)通過(guò)群體工程與單細(xì)胞組學(xué)手段進(jìn)一步優(yōu)化微生物制造體系提供了重要理論基礎(chǔ)和技術(shù)框架，對(duì)推動(dòng)天然產(chǎn)物的可持續(xù)生物制造具有重要意義。
研究成果以“設(shè)計(jì)生物傳感器依賴(lài)的耦合系統(tǒng)穩(wěn)定細(xì)胞工廠(chǎng)的高合成表型”（Design of the biosensor-dependent coupling system stabilizes the high-synthesis phenotype of cell factory）為題，于4月13日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)化工系教授李春與北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院副教授呂波為論文共同通訊作者，清華大學(xué)化工系助理研究員秦磊、天津大學(xué)2023屆博士畢業(yè)生楊博、北京理工大學(xué)2023級(jí)博士生黃睿為論文共同第一作者。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-026-71801-5
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲
