中美科學(xué)家聯(lián)合優(yōu)化新型寬范圍木糖生物傳感器

近日，國(guó)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(guó)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?jī)H次于葡萄糖的可發(fā)酵糖，提高其利用效率對(duì)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?jī)?nèi)容。

近年來(lái)，針對(duì)不同底物或代謝產(chǎn)物所設(shè)計(jì)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(bào)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(dá)到飽和，無(wú)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(duì)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X(jué)ylR及相應(yīng)的operator(xylO)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)構(gòu)建了大腸桿菌新型木糖傳感器，并利用基于易錯(cuò)PCR 和流式細(xì)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(shí)，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(dá)。

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(guò)定向馴化選擇了傳統(tǒng)意義上“劣勢(shì)”的不靈敏的傳感器，為其他生物傳感器的改造和進(jìn)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(tuán)隊(duì)利用宏基因組測(cè)序分析和功能驗(yàn)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(dá)后，取得了較好的木糖利用效果，與其他學(xué)者經(jīng)過(guò)多輪蛋白定向計(jì)劃篩選的同類(lèi)酶基因的表達(dá)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(dòng)物和食草動(dòng)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(guò)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(guò)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(jìn)綠色制造和可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了基礎(chǔ)。