清华大学化工系在小分子代谢物生物传感器改造与应用上取得系列重要进展

发布时间:2017-10-13

  清华大学化工系“生物育种技术与装备”团队利用合成生物技术,成功实现了色氨酸、甲羟戊酸等小分子生物传感器的挖掘、调谐、跨物种改造和应用方法开发,在大肠杆菌及扭脱甲基杆菌等微生物细胞工厂的超高通量筛选和连续进化育种取得重要进展。相关成果先后发表于相关领域重要刊物美国化学会合成生物学(ACS Synthetic Biology) (10.1021/acssynbio.7b00247), 代谢工程(Metabolic Engineering) (10.1016/j.ymben.2016.11.010, 10.1016/j.ymben.2015.10.006)。该团队长期致力于生物育种领域高通量突变、筛选、突变位点挖掘和代谢网络重构等前沿技术,并在相关技术装备化及应用转化方面取得了一系列具有自主知识产权的成果。清华大学百人计划邢新会教授担任团队首席研究员,张翀副教授是团队核心骨干人员,团队形成了以解决生物化工学科重要科学问题为导向,基础研究和应用研究并重的协同创新合作机制。

  小分子生物传感器作为合成生物学领域的核心元件,能够感应细胞内特定小分子化合物浓度,并通过报告模块将其转化为更易检测的输出信号,如颜色、荧光、细胞抗逆性等。随着实验室适应性进化技术、流式细胞术、微液滴技术的成熟与推广,基于小分子代谢物生物传感器的荧光超高通量筛选、适应性进化成为微生物细胞工厂改造的重要工具。新型代谢物传感器的挖掘、已有传感器的跨物种改造、筛选和进化策略的选择成为重要的研究方向。

  基于色氨酸前导肽机制,该团队研制出新型的新生肽识别色氨酸生物传感器,将胞内色氨酸的浓度转化为荧光信号,并提出了基于代谢中间产物传感器辅助的“推-拉”两阶段筛选和构建人工合成途径新策略(InterSPPS)。以天然活性产物脱氧紫色杆菌素的生产为模式体系,利用流式细胞技术,通过生物传感器的正向荧光信号筛选得到从葡萄糖合成色氨酸的高产菌株,进一步通过负向荧光信号筛选消耗色氨酸的高效下游途径,从而快速高效构建了利用葡萄糖高效合成脱氧紫色杆菌素的大肠杆菌细胞工厂,为复杂代谢途径的构建提供了可靠的“一箭双雕”新方法。


基于代谢中间产物传感器辅助的“推-拉”两阶段筛选策略
https://doi.org/10.1016/j.ymben.2015.10.006

  该团队进一步开发了新型的传感器辅助实验室连续进化平台,创造性地提出利用色氨酸生物传感器控制4-α-葡聚糖转移酶(MalQ)的表达,并将该基因回路置于麦芽糖代谢缺陷的工程细菌中,使色氨酸的产量与菌株利用麦芽糖生长的能力相关联,从而实现以碳源利用为选择压力系统进行色氨酸生产菌株的连续进化研究。这一连续进化平台成功解决了传统的以抗生素-抗性基因为选择压力时产生的进化逃逸问题。利用该技术平台,可以高效率的挖掘微生物基因组上对目的表型有贡献的稀有突变位点,并用于后续工程化改造。


传感器辅助的碳源利用选择压力实验室连续进化平台
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssynbio.7b00247

  此外,通过小分子代谢物传感器的跨物种改造,还成功实现了非常规宿主扭脱甲基杆菌AM1转录因子QscR的高通量筛选,高效调节中心碳代谢。扭脱甲基杆菌AM1能够利用甲醇为唯一碳源生长,在碳一原料绿色生物加工过程中具有重要价值。研究团队以甲醇高效转化甲羟戊酸为目标,通过对适用于大肠杆菌体系的甲羟戊酸传感器进行启动子替换、核糖体结合位点优化等宿主适配性改造,成功构建了能在AM1内对甲羟戊酸进行响应的传感器。进一步,利用该生物传感器,结合流式细胞技术,高通量筛选在扭脱甲基杆菌AM1中心代谢起到重要调控作用的QscR调控因子突变体,成功引导碳流向甲羟戊酸前体乙酰辅酶A。该方法创造性的解决了扭脱甲基杆菌中心碳代谢循环途径改造的难题,筛选得到的QscR调控因子突变位点通过对碳流调控的重编程,达到了代谢通路改造“四两拨千斤”的效果。


扭脱甲基杆菌AM1内甲羟戊酸传感器辅助的转录因子QscR高通量筛选
https://doi.org/10.1016/j.ymben.2016.11.010

  上述研究成果得到了自然科学基金委国家重大仪器研发专项和面上项目、科技部国家重点研发计划、清华大学自主科研项目等的资助,张翀副教授为论文通讯作者。

通讯员 张翀