北理工在生物傳感器的改造方面取得重要研究成果
發(fā)布日期：2022-02-25 供稿：生命學(xué)院 攝影：生命學(xué)院
編輯：肖雯 審核：周連景 閱讀次數(shù)：近日，北京理工大學(xué)生命學(xué)院霍毅欣課題組在高級醇生物傳感器的改造及應(yīng)用方面取得重要研究成果，并發(fā)表于生化研究方法類1區(qū)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(fā)，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(xù)取樣檢測的條件下，已有大量工作通過標(biāo)記和篩選體系來動態(tài)監(jiān)測高級醇的產(chǎn)量，但這些方法依舊無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，且易污染樣品；與之相比，生物傳感系統(tǒng)具有更高的安全性、穩(wěn)定性及普適性，更適于工業(yè)生產(chǎn)過程中的連續(xù)監(jiān)測。
生物傳感器已被廣泛應(yīng)用于代謝工程中的高產(chǎn)菌株的篩選以及代謝途徑的調(diào)控。通過設(shè)計、構(gòu)建和改造生物傳感系統(tǒng)，使其動態(tài)響應(yīng)信號物質(zhì)濃度的變化并啟動細(xì)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(zhuǎn)錄因子BmoR驅(qū)動的高級醇生物傳感系統(tǒng)的構(gòu)建及改造
目前，有關(guān)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的生物傳感系統(tǒng)的研究報道還無法實現(xiàn)對高價值化合物及其類似物的定向檢測。北京理工大學(xué)生命學(xué)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(zhuǎn)錄因子BmoR，構(gòu)建了轉(zhuǎn)錄因子BmoR驅(qū)動的高級醇生物傳感系統(tǒng)。由于野生型BmoR特性受限，無法實現(xiàn)對高級醇分子的特異檢測，針對BmoR的N端功能區(qū)域進(jìn)行理性和非理性設(shè)計及改造（圖1）。
圖2 野生型BmoR的激活機(jī)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(jìn)行分析，同時對野生型BmoR與不同醇分子的結(jié)合情況進(jìn)行了分子對接模擬，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行定點理性改造（圖2）。通過建立隨機(jī)突變文庫并對其進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(kuò)大至200 mM（14.8 g/L）的BmoR突變體。通過一系列設(shè)計改造，最終得到了具有不同特性的BmoR突變體，可用于構(gòu)建一系列多功能生物傳感系統(tǒng)，以用于篩選理想菌株或建立代謝工程領(lǐng)域的動態(tài)控制系統(tǒng)。相關(guān)成果發(fā)表于生化研究方法類1區(qū)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(xué)生命學(xué)院長聘教授，博士生導(dǎo)師。主要圍繞“大宗化學(xué)品的微生物精煉與制造”，以合成生物學(xué)手段取得了一系列面向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的科研成果。代表作發(fā)布于Science Nat Biotechnol 、Nat Commun等頂級期刊，近五年共發(fā)表高水平論文40余篇，授權(quán)近十項國際和國內(nèi)專利。主持自然科學(xué)基金委、國家重點研發(fā)計劃課題等十余項國家、省部及地區(qū)級項目。現(xiàn)任中國生物工程學(xué)會理事、工業(yè)和信息化部“分子醫(yī)學(xué)與生物診療”重點實驗室副主任、北京理工大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)責(zé)任教授等職。
陳振婭副研究員，北京理工大學(xué)生命學(xué)院，長期從事代謝工程與合成生物學(xué)、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(fā)表論文20余篇，獲批發(fā)明專利多項。
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