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近日，糖化学与生物技术教育部重点实验室刘龙教授课题组在微生物细胞工厂中心代谢网络的动态调控方面取得重要进展，研究成果“Pyruvate-responsive genetic circuits for dynamic control of central metabolism”于9月7日在线发表在《Nature Chemical Biology》(https://www.nature.com/articles/s41589-020-0637-3)。

如何实现微生物中心代谢网络代谢流的最优分配一直是高版本微生物底盘细胞构建的研究热点之一。基因回路目前被广泛应用于代谢网络的动态控制，其可以有效避免有毒中间代谢物的积累，平衡细胞生长与产物合成的代谢流，从而提高产物的合成效率。这些基因回路大多通过响应外界环境信号、中间代谢物和信号分子发挥功能。然而，目前缺乏能够响应胞内关键中心代谢物的基因回路，例如丙酮酸。丙酮酸是连接细胞糖酵解途径与三羧酸循环的关键中心代谢物，其一方面为产物的合成提供碳骨架，另一方面进入三羧酸循环为细胞生长提供能量与还原力。因此，构建响应胞内丙酮酸浓度的基因回路能够实现碳中心代谢流的动态控制，促进中心代谢衍生产物的高效合成。

在该研究中，研究人员首先基于大肠杆菌来源的丙酮酸响应转录因子PdhR，在B. subtilis中设计、构建了丙酮酸响应基因回路，进一步通过突变以及改变PdhR在启动子上的结合序列与位置，优化了丙酮酸响应基因回路的动态范围，获得丙酮酸激活型的基因回路，随后测试了所构建基因回路的正交性和响应阈值。接着，研究人员验证了反义转录在枯草芽孢杆菌中的功能，并结合实验数据以及模型预测，发现转录干扰是反义转录发挥功能的主要机制，并揭示活性越强的启动子越容易因为“自闭塞效应”而受到转录干扰的影响。随后，研究人员结合反义转录以及高通量筛选技术，成功获得丙酮酸抑制型的基因回路，从而获得受胞内丙酮酸响应的双功能基因回路。最后，研究人员利用双功能的丙酮酸生物传感器设计反馈控制系统，该系统使细胞能够自发地响应胞内丙酮酸浓度，动态优化B. subtilis中心碳代谢途径的代谢流，从而使B. subtilis高效合成葡萄糖二酸，葡萄糖二酸的摇瓶产量提高了154%，而传统的静态调控策略仅提高35%。

陈坚院士和刘龙教授为该论文的共同通讯作者，江南大学18级博士生徐显皓为该论文的第一作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金（31870069，31930085，21676119）、国家重点研发计划(2018YFA0900300，2018YFA0900504)、江苏省研究生科研创新计划（KYCX18_1786）、中央高校基本科研专项资金（JUSRP51713B）和BBSRC (BB/R01602X/1)的资助。

枯草芽孢杆菌中葡萄糖二酸合成的动态调控