动态监测与调控葡萄糖摄取速率及中心代谢通路的双功能生物传感器开发

本研究针对微生物代谢工程中缺乏实时监测葡萄糖摄取速率(GUR)工具的难题，开发了基于Mlc转录调控系统的葡萄糖摄取速率生物传感器(GURB)。研究人员通过重构大肠杆菌PTS系统中的Mlc-EIIB调控模块，构建了可编程的双功能遗传电路，实现了对葡萄糖摄取速率的实时监测和动态调控。该研究成功应用于L-色氨酸、核黄素和D-乳酸的高效生产，产量分别提升91%、59.4%和40.6%，为微生物细胞工厂的代谢调控提供了新型工具。研究成果发表于《Nature Chemical Engineering》。

　　

在微生物发酵生产高附加值化学品的领域，葡萄糖作为最经济的碳源，其摄取效率直接决定着整个代谢网络的通量分配。然而长期以来，科研人员面临着一个关键瓶颈——缺乏实时监测细胞内葡萄糖摄取速率(GUR)的有效工具。传统方法只能离线测量培养基中葡萄糖残留量，无法反映细胞实时的代谢状态。这种监测手段的缺失导致代谢工程改造时常陷入两难：提高葡萄糖摄取可能引发代谢溢出和副产物积累，而限制摄取又会影响目标产物合成。如何精确调控这个"代谢总开关"，成为优化微生物细胞工厂性能的核心挑战。

针对这一关键问题，中国科学院天津工业生物技术研究所等机构的研究人员在《Nature Chemical Engineering》发表了一项突破性研究。该团队基于大肠杆菌磷酸转移酶系统(PTS)中Mlc转录抑制因子的独特调控机制，开发出全球首个能实时监测并动态调控葡萄糖摄取速率的双功能生物传感器系统(GURB)。这项研究不仅填补了代谢监测工具空白，更开创了基于葡萄糖摄取速率的智能代谢调控新范式。

研究采用表面等离子共振(SPR)验证Mlc蛋白与不同DNA结合位点的亲和力，通过荧光报告系统优化启动子结构，构建了响应范围达7.8倍的GURB28传感器。关键技术创新包括：1)利用分裂荧光素酶互补成像技术证实Mlc-EIIB相互作用机制；2)设计正向/负向响应回路实现GUR的双向调控；3)结合¹³C标记代谢流分析验证动态控制效果。研究人员还建立了六种不同葡萄糖摄取速率的工程菌株(MGU1-6)作为测试平台。

【监测与动态控制葡萄糖摄取速率和中心代谢】

研究首先解析了PTS系统中EIIB^Glc去磷酸化招募Mlc的分子机制，发现Mlc与ptsG启动子(P_ptsG)的结合强度直接影响信号响应范围。通过截短启动子和突变Mlc结合位点，构建的GURB3-2传感器成功消除了Crp蛋白的干扰。有趣的是，当把Mlc结合位点插入人工启动子P_AR的不同位置时，位于转录起始位点(+1)下游的P_AD变体表现出最高活性，比原始启动子强3.6倍。

【设计正响应GURB】

通过系统筛选七种Mlc结合序列，发现亲和力适中的manXBS1(KD=3.73×10^-7M)能实现最佳动态响应，而过高亲和力反而会抑制菌株生长。启动子工程与RBS优化相结合，最终获得的GURB28传感器在MGU5高摄取菌株中荧光强度比MGU1低摄取菌株高10倍。

【细胞内实时监测葡萄糖摄取速率】

在线荧光监测与离线残糖分析显示，GURB28能准确反映不同培养阶段葡萄糖消耗速率的变化。在pH7和0.5%盐浓度条件下传感器信号最强，而当环境变为pH4或2.5%盐浓度时，荧光强度随GUR下降而显著减弱，证实传感器对环境变化的快速响应能力。

【通过GURB动态调控菌株代谢途径】

在L-色氨酸生产菌中，研究构建了GUR激活型启动子驱动zwf基因(戊糖磷酸途径)与GUR抑制型启动子调控ptsG基因的反馈回路。代谢流分析显示，动态调控使碳流向3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸(DAHP)合成途径增加2.1倍，副产物乙酸减少84%，最终产量达2.64g/L。类似策略在核黄素和D-乳酸生产中分别实现691.4mg/L和15.8g/L的产量，验证了该系统的普适性。

这项研究的重要意义在于：1)首次实现葡萄糖摄取速率的实时监测，解决了代谢工程领域长期存在的"黑箱"问题；2)开发的双功能遗传电路可同步激活目标途径和抑制竞争途径，比静态调控策略更有效；3)提出的动态控制原理可推广至其他微生物和产物的合成优化。该成果为智能微生物细胞工厂的设计提供了全新方法论，将推动生物制造的精准调控发展。Dongqin Ding、Yaru Zhu等研究者开发的GURB系统，不仅适用于基础研究中的环境微生物学分析，在工业发酵的过程监控和菌种选育方面也具有广阔应用前景。