研讨职员应用温控动静调控开关在年夜肠杆菌完成聚羟基脂肪酸酯的准确组装

合成生物学通过构建各种动静调控体系节制准确调控代谢通路，完成目的产品的临盆和特定的细胞行动。然而在代谢工程畛域，因为试验室构建的基因线路往往短少鲁棒性，要想在年夜体积的发酵系统中完成成长对数期的中前期的动静调控依然有很年夜的挑战。复杂的化学诱导开关因为诱导物的高本钱、不行移除性曾经不克不及知足生物临盆的需求；光诱导体系在高密度时难以穿透发酵罐进行准确调控；试验室构建的简单的、多元件的开关在年夜标准的发酵系统往往会生效。与其他感应体系相比，温度开关有低本钱、疾速相应、可移除等劣势。工业临盆曾经有成熟的热质通报实际，是以在发酵罐系统可能比拟容易进行温度调控。总体而言，温控开关有利用于年夜规模发酵的后劲。

性命学院陈国强团队在Nature Communications杂志上颁发题为“在年夜肠杆菌中应用可逆温度调控开关完成双向动静调控”（Reversible thermal regulation for bifunctional dynamic control of gene expression in Escherichia coli）的文章https：//www.nature.com/articles/s41467-021-21654-x ，论文应用由温度节制的双向动静调控开关，在7-L发酵罐中完成了成长对数期中前期的调控，完成了聚羟基脂肪酸酯（PHA）的准确组装，证实了温控开关用于年夜规模临盆的后劲。在分歧标准完成组织调控：级的生物高分子聚合物合成，微米级的单细菌形状节制，毫米级的菌落“类树木年轮”菌落，证实了构建的温控开关具备广泛实用性和体系稳定性（图1）。

论文起首基于温度敏感的转录因子CI857和TetR家族的转录克制子PhlF构建出温度敏感的基因开关T-switch。在30℃和37℃时，编码绿色荧光卵白的基因sfgfp和编码赤色荧光卵白的基因mrfp别离转录表白，颠末一系列优化和表征，双向动静温度调控开关T-switch可以在温度在30℃和37℃之间完成分歧基因的同时转录上和谐下调。

随后T-switch被利用于三个分歧的场景。第一个场景是受温度的节令性变动触发的树木年轮的启迪，通过仿照“年轮”图案的造成进程，在平板上天生类年轮的菌环，发明出新的不依赖于浓度旌旗灯号差天生的图案（pattern），完成了毫米级的图案节制（图2）。通过对生物图案造成的探求与发明，可认为研讨者扫视生物发育、成长、造成图案提供新的思绪。

第二个场景是细菌形状的变动，论文使用T-switch节制mreB和ftsZ基因，通过改动温度完成细菌从球形、杆状到纤维状动静变动，完成了单细胞微米级的形状节制（图3）。细菌产品有一年夜类是在胞内以“内在体”模式存在的产品，包含PHA、糖原、聚氨基酸等。细胞体积年夜小决议了这些产品临盆的下限，而细菌往往只有0.5-2μm年夜小，是以通过改动细菌的形态可能无效地改动“内在体”产品的积聚，越年夜越长的细菌可能使得胞内产品积聚更多。另外通过对细菌形状的调理，使得细菌体积增年夜、细菌长度变长，进步了与发酵液自动拆散的才能，使得上游搜集菌体进程更不便，能耗本钱更低。

第三个场景是细胞内高分子的准确组装。聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates， PHAs）是一类次要由微生物合成，生物可降解且具备生物相容性的高分子资料，将有很年夜的后劲解决环球塑料净化成绩。今朝曾经贸易化的PHA例如PHBV，P3HB4HB以及PHBHHx，都是随机共聚物。而嵌段聚合物在随机聚合物的根底上不仅可以改善资料性能，还可以解决资料老化等成绩【4】，然则因为PHA临盆的相关碳源（前体）价钱低廉，不必葡萄糖等非相关碳源进行临盆，是很难完成嵌段PHA的工业化，是以，通过使器具有本钱效益的碳源来设计无诱导剂的PHA嵌段共聚物临盆开关十分有需要。论文通过T-switch在年夜肠杆菌中节制3-羟基丁酸（3HB）和4-羟基丁酸（4HB）呈现的时序，胜利在7L发酵罐天生了4HB比例从30到89mol%的随机共聚物P（HB-co-4HB）和4HB比例从10到60mol%的嵌段共聚物P3HB-b-P4HB，跟着4HB单体比例的变动，随机共聚物P（HB-co-4HB）的熔融温度从无到有、玻璃化转变温度下降、杨氏模量和拉伸应力加强、断裂延伸率坚持在800%以上。和随机共聚物相比，雷同4HB比例的嵌段共聚物P3HB-b-P4HB有PHB和P4HB的特征熔融温度峰、杨氏模量和拉伸应力显着高于随机共聚物，体现了加倍低劣的资料性能。上述试验在年夜尺寸的发酵罐简单系统统实现了级的聚合物的准确合成节制，证实了该体系的稳定性。(100yiyao.com）