近日，北京理工大学霍毅欣教授团队在动态调控高级醇持续高水平生产方面取得重要进展。相关研究成果以“Concentration Recognition-Based Auto-Dynamic Regulation System (CRUISE) Enabling Efficient Production of Higher Alcohols”为题发表在顶级期刊《Advanced Science》（影响因子：15.1）。该工作以北京理工大学为第一通讯单位，研究员陈振娅和博士生于盛竹为共同第一作者，霍毅欣教授为通讯作者。

合成生物学通过设计代谢途径，能够将廉价的原料通过微生物细胞转化为重要的高附加值化合物，实现低成本的绿色生物合成。传统的代谢工程改造提高目标产物产量的方式包括途径基因的过表达、敲除或抑制等，然而这种策略往往会造成细胞的代谢失衡、有毒中间产物堆积以及生长受损等现象。动态调控可以通过构建响应特定信号分子的基因回路，在恰当的节点调节基因表达水平，从而实现对目标途径的代谢调控。基于此，团队在大肠杆菌中建立了响应胞内关键代谢物浓度的动态调控系统，形成一种 “生长驱动生产，生产驱动再生长，再生长驱动再生产”的循环调控模式。通过偶联响应氨基酸的 ivbL 转录衰减元件以及响应高级醇的BmoR转录激活元件，实现生长相关前体物的持续供应以及高级醇的持续高水平生产（图1）。

图1 CRUISE动态调控系统的设计及相应的异丁醇产量

目标产物异丁醇和异戊醇结构十分相似，实际生产过程中的混合生产会导致产物分离纯化困难、目标产物生产效率低等问题。因此，本文在已构建的动态调控系统基础上，偶联CipA自组装系统聚集目标氨基酸合成途径中的关键酶，推动单一氨基酸的快速积累，实现前体物向目标产物的迅速定向转化，从而提高目标产物的合成效率。该策略避免了因异丁醇与异戊醇生产途径部分重叠所导致的混合生产问题，实现了对目标高级醇的精准动态调控（图2）。

图2 偶联自组装系统动态调控单一高级醇生产

由于高级醇对细胞生长具有一定毒性作用，为提高宿主菌株的异丁醇耐受性并确定其耐受机制，本文以大肠杆菌MG1655为出发菌株，利用CRISPR/Cas9技术对异丁醇耐受菌 MG1655Δ98k中的缺失片段进行分区域敲除，逐步确定了影响菌株耐受性的关键基因，最终获得异丁醇耐受菌MG1655Δ98k-2-4。在该菌株中引入偶联CipA自组装元件的动态调控系统以精准调控异丁醇生产，最终在3-L发酵罐中补料发酵，共获得40.4 g/L异丁醇（图3）。本文成功证明了这种新型的动态调控策略在维持细胞稳态，提高目标化合物生产水平方面的可行性与有效性。

图3 利用高级醇耐受菌高效生产异丁醇

此项工作基于霍毅欣教授团队在生物传感器以及蛋白质自组装技术方面的研究积累，已发表多篇高水平文章，包括BmoR生物传感元件的改造与应用（Microbial Cell Factories, 2019, 18: 30, Metabolic Engineering, 2019,56: 28-38, ACS Synthtic Biology, 2022, 11: 1251–1260），基于自组装支架构建新型蛋白纯化方法（Journal of Biotechnology, 2019, 301: 97-104）以及自组装蛋白在代谢工程中的应用（Trends in Biotechnology, 2024, 42(1):43-60. Applied Microbiology and Biotechnology, 2018, 102: 10005-10015, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2021, 69: 14609-14619）。