北理工在生物傳感器的改造方面取得重要研究成果
發布日期：2022-02-25 供稿：生命學院 攝影：生命學院
編輯：肖雯 審核：周連景 閱讀次數：近日，北京理工大學生命學院霍毅欣課題組在高級醇生物傳感器的改造及應用方面取得重要研究成果，并發表于生化研究方法類1區Top期刊《ACS Synthetic Biology》。《ACS Synthetic Biology》論文的第一作者為博士生毋彤及副研究員陳振婭，通訊作者為霍毅欣教授。
高級醇如正丁醇、異丁醇或異戊醇均具有高能量密度和低吸濕性，同時腐蝕性較小且不易揮發，是一類極具潛力的可替代化石燃料的生物能源。近年來，在連續取樣檢測的條件下，已有大量工作通過標記和篩選體系來動態監測高級醇的產量，但這些方法依舊無法實現實時監測，且易污染樣品；與之相比，生物傳感系統具有更高的安全性、穩定性及普適性，更適于工業生產過程中的連續監測。
生物傳感器已被廣泛應用于代謝工程中的高產菌株的篩選以及代謝途徑的調控。通過設計、構建和改造生物傳感系統，使其動態響應信號物質濃度的變化并啟動細胞輸出，因此生物傳感器是一種快速、高通量評估候選途徑變體的工具。
圖1 轉錄因子BmoR驅動的高級醇生物傳感系統的構建及改造
目前，有關轉錄因子調控的生物傳感系統的研究報道還無法實現對高價值化合物及其類似物的定向檢測。北京理工大學生命學院的霍毅欣教授課題組針對該問題，基于以C2-C5高級醇作為信號分子的轉錄因子BmoR，構建了轉錄因子BmoR驅動的高級醇生物傳感系統。由于野生型BmoR特性受限，無法實現對高級醇分子的特異檢測，針對BmoR的N端功能區域進行理性和非理性設計及改造（圖1）。
圖2 野生型BmoR的激活機制，與高級醇對接模擬及篩選過程
首先對野生型BmoR的激活原理進行分析，同時對野生型BmoR與不同醇分子的結合情況進行了分子對接模擬，并以此為基礎進行定點理性改造（圖2）。通過建立隨機突變文庫并對其進行高通量篩選，成功得到了分別對正丁醇或異丁醇特異性響應的BmoR突變體，同時該突變體可在0-800 mM（36.9 g/L）乙醇背景噪音下維持其特異性。此外，還得到了對高級醇高靈敏響應的BmoR突變體，與野生型相比，靈敏度提高了107倍；以及檢測范圍擴大至200 mM（14.8 g/L）的BmoR突變體。通過一系列設計改造，最終得到了具有不同特性的BmoR突變體，可用于構建一系列多功能生物傳感系統，以用于篩選理想菌株或建立代謝工程領域的動態控制系統。相關成果發表于生化研究方法類1區Top期刊《ACS Synthetic Biology》，原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acssynbio.1c00549。
附作者簡介：
霍毅欣教授，北京理工大學生命學院長聘教授，博士生導師。主要圍繞“大宗化學品的微生物精煉與制造”，以合成生物學手段取得了一系列面向產業化應用的科研成果。代表作發布于Science Nat Biotechnol 、Nat Commun等頂級期刊，近五年共發表高水平論文40余篇，授權近十項國際和國內專利。主持自然科學基金委、國家重點研發計劃課題等十余項國家、省部及地區級項目。現任中國生物工程學會理事、工業和信息化部“分子醫學與生物診療”重點實驗室副主任、北京理工大學生物技術專業責任教授等職。
陳振婭副研究員，北京理工大學生命學院，長期從事代謝工程與合成生物學、生物傳感器挖掘與改造等方面的研究。在Metabolic Engineering 、ACS Synthetic Biology 、Journal of Agricultural and Food Chemistry 、Applied Microbiology and Biotechnology 、Biotechnology and Bioengineering等頂級期刊發表論文20余篇，獲批發明專利多項。
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