上海交大在木糖生物傳感器的設(shè)計和優(yōu)化方面取得新進展

近日，國際合成生物學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《ACS Synthetic Biology》在線發(fā)表了上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院趙心清教授與美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Hal Alper教授的合作研究成果“Design, evolution, and characterization of a xylose biosensor in Escherichia coli using the XylR/xylO system with an expanded operating range”。趙心清教授與Hal Alper教授為本論文的共同通訊作者，趙心清教授與白鳳武教授共同指導(dǎo)的博士生唐瑞琪為論文的第一作者。

木糖是木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)物中含量僅次于葡萄糖的可發(fā)酵糖，提高其利用效率對于水解液的高效全糖轉(zhuǎn)化至關(guān)重要，因此，構(gòu)建能良好利用木糖在內(nèi)的混合糖的重組微生物菌株是生物質(zhì)生物煉制的重要研究內(nèi)容。

近年來，針對不同底物或代謝產(chǎn)物所設(shè)計的各種生物傳感器（biosensor）被廣泛應(yīng)用到菌株選育中。然而，目前所報道的木糖傳感器的，其木糖濃度響應(yīng)范圍非常有限，在較低的木糖濃度下即達到飽和，無法很好響應(yīng)培養(yǎng)基中發(fā)酵條件下的木糖濃度，限制了這些生物傳感器在高通量篩選菌株中的應(yīng)用。因此，構(gòu)建具有較大梯度響應(yīng)濃度的木糖感應(yīng)器對于高效篩選菌株具有重要意義。

該研究以大腸桿菌木糖激活因子XylR及相應(yīng)的operator（xylO）為基礎(chǔ)，設(shè)計構(gòu)建了大腸桿菌新型木糖傳感器，并利用基于易錯PCR 和流式細胞儀篩選，得到梯度響應(yīng)濃度范圍大幅提高的突變型木糖傳感器，在0到10 g/L木糖中具有很好的梯度響應(yīng)。同時，該XylR/xylO系統(tǒng)也能應(yīng)用于β-半乳糖苷酶和番茄紅素生物合成途徑的木糖誘導(dǎo)表達。

該研究將野生型的高靈敏度的木糖傳感器改造成具有較寬響應(yīng)范圍的傳感器，通過定向馴化選擇了傳統(tǒng)意義上“劣勢”的不靈敏的傳感器，為其他生物傳感器的改造和進化也提供了新的思路。

在之前的研究中，趙心清教授和白鳳武教授團隊利用宏基因組測序分析和功能驗證，在黃牛糞便宏基因組中鑒定了新型木糖異構(gòu)酶基因，該基因在釀酒酵母中表達后，取得了較好的木糖利用效果，與其他學(xué)者經(jīng)過多輪蛋白定向計劃篩選的同類酶基因的表達效果相當(dāng)，提示在自然界存在性能良好的天然酶基因資源。相關(guān)研究發(fā)表在《Applied Microbiology and Biotechnology》上(103:9465-9477)。該研究也為從反芻動物和食草動物糞便宏基因組中獲得單糖代謝酶基因提供了參考，所獲得的酶基因資源可用于構(gòu)建高效生物轉(zhuǎn)化微生物重組菌株，提高生物煉制效率（文章鏈接doi: 10.1007/s00253-019-10161-1）。

上海交通大學(xué)工業(yè)微生物與生物過程工程(IMBE)研究室多年從事微生物代謝工程和合成生物學(xué)以及發(fā)酵過程優(yōu)化研究，在木質(zhì)纖維素生物煉制領(lǐng)域做出了一系列成果，為促進綠色制造和可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

本研究得到國家自然科學(xué)基金委重點項目(No. 21536006)，以及微生物代謝國家重點實驗室開放課題(No. MMLKF19-01)的資助。

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