工程化益生菌大肠杆菌Nissle 1917通过RiboJ增强型基因回路实现炎症响应性吲哚乙酸（IAA）生产

为解决炎症性肠病（IBD）中肠道微生物代谢物吲哚乙酸（IAA）不足的问题，韩国生命工学研究院的研究团队通过合成生物学手段改造益生菌大肠杆菌Nissle 1917（EcN），构建了响应炎症标志物硫代硫酸盐（S2O32-）和硝酸盐（NO3-）的基因回路，优化了IAA合成途径并引入RiboJ绝缘子提升产量。该研究实现了炎症环境下剂量依赖性IAA生产（最高793.1 mg/L），同时开发了基于假单胞菌IacR调控因子的IAA生物传感器（检测限31.3 μM），为IBD的靶向治疗提供了新策略。论文发表于《Journal of Biological Engineering》。

　　

肠道微生物与宿主的复杂互作关系日益成为生命科学研究的焦点。当这种微妙平衡被打破时，可能引发包括炎症性肠病（IBD）、代谢综合征甚至神经精神疾病在内的多种病症。其中，微生物代谢产物吲哚乙酸（indoleacetic acid, IAA）作为芳烃受体（aryl hydrocarbon receptor, AHR）配体，通过调节IL-22分泌在维持肠道稳态中发挥关键作用。然而临床观察发现，IBD患者粪便中IAA水平显著降低，这促使科学家们思考：能否通过工程化改造益生菌，在炎症微环境中智能调控IAA合成？

韩国生命工学研究院（Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology, KRIBB）的Seung-Gyun Woo等研究人员选择临床级益生菌大肠杆菌Nissle 1917（EcN）为底盘，通过合成生物学手段构建了"感知-响应"系统。研究团队首先优化了异源IAA合成途径（包含aspC、ipdC、iad1基因），创新性地引入RiboJ核酶绝缘子使产量提升14倍；继而设计双组分调控系统（TCS），使IAA生产严格受控于炎症标志物硫代硫酸盐和硝酸盐；最后开发了基于假单胞菌IacR转录因子的生物传感器，实现IAA的实时监测。该成果发表于《Journal of Biological Engineering》，为活体生物治疗产品（LBP）的开发提供了新范式。

关键技术方法包括：1）采用Gibson Assembly构建含RiboJ绝缘子的多顺反子表达载体；2）建立硫代硫酸盐（ThsS/ThsR）和硝酸盐（NarX/NarL）响应型基因回路；3）通过HPLC定量分析IAA产量；4）开发基于IacR-P_iacA的荧光报告系统监测IAA浓度。

优化IAA生物合成途径

研究人员通过调整基因顺序（iad1-aspC-ipdC）并引入RiboJ绝缘子，使EcN-IAA3菌株在0.2 mM IPTG诱导下产量达793.1±39.41 mg/L，较基础载体提高14倍。HPLC分析证实工程菌能有效将色氨酸转化为IAA（保留时间4.09分钟），且细胞生长未受显著影响（图1C,D）。

硫代硫酸盐诱导型IAA生产系统

改造后的EcN-IAA6菌株在1 mM硫代硫酸盐刺激下产量达180.96±10.94 mg/L，较本底水平提升43倍。通过ThsR(D57A)突变体验证了系统特异性，且产量与色氨酸浓度呈正相关（图2,3）。值得注意的是，采用pBBR1复制起点和RiboJ的组合使低拷贝质粒也能实现高效表达。

硝酸盐响应型系统构建

基于NarX/NarL的EcN-IAA8菌株在1 mM硝酸盐环境中产量达30.95±0.73 mg/L，但效率低于硫代硫酸盐系统。作者建议未来可通过增强启动子或酶定向进化进一步优化（图4）。

IAA生物传感器开发

利用假单胞菌IacR调控因子构建的EcN-pIacA-sfGFP菌株，其荧光信号与IAA浓度（0-1 mM）呈剂量依赖性，检测限达31.3 μM，为后续高通量筛选奠定基础（图5）。

这项研究通过模块化设计实现了炎症微环境下的智能药物递送：RiboJ绝缘子稳定mRNA并提升翻译效率；双回路设计确保仅在炎症状态下激活治疗；生物传感器实现产物动态监测。其科学价值在于：1）证实工程菌可模拟天然菌群的代谢调控；2）为IBD等慢性炎症疾病提供精准治疗方案；3）建立的平台技术可扩展至其他微生物代谢物的可控生产。正如作者指出，未来通过构建逻辑门（AND/OR）电路，将进一步增强治疗的时空精确性，推动活体生物治疗向临床转化迈进。