2024年3月12日，Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Microbiology发表了以“Genetic circuits for metabolic flux optimization”为题的新综述。助理研究员徐显皓为论文第一作者，刘龙教授为通讯作者。

代谢工程旨在重构微生物的代谢网络，构建能够以葡萄糖、纤维素、二氧化碳等可再生原料高效合成目标化合物的微生物细胞工厂。目前，尽管国内外已经开发了多种用于优化代谢流的代谢工程和合成生物学工具，但大多数微生物细胞工厂的合成效率仍然很低。其中的一个核心关键问题在于如何平衡细胞生长与产物合成间的代谢通量。然而，传统的静态调控方法，如敲除竞争途径和过表达限速酶，可能会导致细胞生长和产物合成间的代谢失衡，从而降低目标产物的合成效率。此外，传统的产物检测方法（液相色谱、质谱等）效率较低，无法快速地从菌株文库中筛选高产菌株。

▲图1 基因线路设计、构建和应用的流程框架

▲图2 基因线路自动化设计的3个组成部分

基因线路因其能够有效平衡胞内的代谢通量并高效筛选目标菌株而受到广泛关注。人工基因线路能够使微生物响应特定的信号分子或细胞状态，自主调节产物代谢网络中关键基因的表达水平，从而合理分配不同代谢模块间的代谢通量，促进目标产物的高效合成。此外，当使用荧光蛋白作为报告基因时，基因线路可以与液滴微流控技术结合，提高高产菌株的筛选效率。因此，基因线路被认为是一种高效的代谢流优化工具。

▲图3 高性能基因线路的构建流程

▲图4 基于基因线路的代谢流动态调控及菌株高通量筛选

随着合成生物学技术的发展，多种不同类型的基因线路被设计、开发用于代谢流的优化，基于此，江南大学未来食品科学中心食品合成生物学与生物制造团队综述介绍了基因线路设计、构建与应用的基本流程：包括计算辅助的基因线路自动化设计、高性能基因线路的构建方法、基于基因线路的代谢流动态调控和菌株高通量筛选。首先，总结了如何使用基因组规模代谢网络模型预测目标产物合成途径的关键调控靶点，介绍了基因线路自动化设计的流程及现有软件。其次，总结了高性能基因线路的构建过程，包括如何选择合适的调控元件用于构建基因线路、如何使用合成生物学技术提高基因线路的动态范围、响应阈值、灵敏度、正交性、特异性和逻辑特征。随后，总结了如何使用基因线路调控目标产物的代谢流，将其分为4种不同的调控类型，包括生长解耦型、反馈回路、级联基因线路和多信号输入的基因线路，介绍了它们的不同应用场景。此外，介绍了基于基因线路的高通量筛选技术，包括基于流式细胞术的细胞分选和基于液滴微流控的细胞分选。最后，讨论了基于基因线路的代谢流优化存在的问题及未来发展方向。

▲图5 未来发展方向

上述工作得到了国家自然科学基金（32200050、32070085、32021005）、江苏省自然科学基金（BK20221079）、中央高校基本科研业务费专项资金（JUSRP52019A、JUSRP121010、JUSRP221013）、国家重点研发计划（2020YFA0908300）资助。