综述：TfoX革命：对Vibrio natriegens基因工程的综述

《Current Opinion in Biomedical Engineering》：The TfoX revolution: a review of genetic engineering in Vibrio natriegens

　　

钟森林|唐嘉欣|戴卓军

中国科学院深圳先进技术研究院深圳合成生物学研究所定量合成生物学重点实验室，中国深圳 518000

钠弧菌（Vibrio natriegens）因其卓越的生长速度、代谢多样性和天然耐盐性而成为合成生物学中一个有前景的细菌底盘。然而，由于缺乏高效的遗传工具，其潜力长期未能得到充分发挥。后来发现，外源表达 compétence 主调控因子 TfoX 可以实现高效的自然转化，这一发现标志着一个转折点，推动了系列遗传工具的开发。本文回顾了 钠弧菌 工程方法的演变过程，从 TfoX 介导的 compétence 机制开始。我们强调了这些工具如何将 钠弧菌 从一个遗传上难以操作的生物体转变为一个可编程的底盘，使其能够进行迭代和可扩展的基因组工程，并讨论了仍存在的挑战。

引言

钠弧菌是一种革兰氏阴性、耐盐细菌，最初从盐沼泥中分离出来，迅速成为合成生物学和生物技术领域的一个有前景的替代底盘1, 2••, 3。它最显著的特点是其极快的生长速度。在最佳条件下，其倍增时间不到10分钟，使其成为已知生长最快的生物之一4。这种内在的速度，加上其代谢多样性和利用多种碳源的能力，使其成为高产蛋白质生产和快速路径原型设计的强大平台5, 6, 7, 8。此外，它对高盐度的天然耐受性使其在海洋、工业和环境修复领域具有更广泛的应用前景，而像 大肠杆菌 这样的传统模式生物在这些环境中难以生存9, 10, 11, 12••。

尽管潜力巨大，但由于缺乏高效的遗传工具，钠弧菌 作为工程底盘的发展受到了多年阻碍2。在2017年之前，对该细菌的遗传操作在效率和范围上都非常有限。大多数可用的方法都是从其他细菌改编而来的，并非专门为 钠弧菌 设计的。DNA传递主要依赖于电穿孔、热休克转化或接合，而染色体修饰则依赖于基于质粒的同源重组、等位基因交换以及基于 CcdB（一种针对DNA旋转酶的毒素）的逆向选择策略2。尽管这些方法建立了基本的遗传操作性，但它们速度慢、通量低且操作繁琐，不适合现代合成生物学中快速设计-构建-测试-学习的循环13。

TfoX 的引入标志着一个明确的转折点（图1）。通过实现高效的自然转化，并随后支持诸如通过自然转化进行的多重基因组编辑（MuGENT）等先进编辑技术，TfoX 消除了菌株构建中的一个核心瓶颈，极大地加速了该宿主中工具开发的步伐13••, 14。这一转变尤为重要，因为它将 钠弧菌 的天然生长优势与简化的工程工作流程相结合。在随后的几年里，该领域迅速发展，出现了专门的合成生物学工具包、调控元件库（例如更广泛的可诱导表达系统，包括对异丙基 β-D-1-硫代半乳吡喃糖（IPTG）、阿拉伯糖和无水四环素（aTc）有反应的系统，以及正交的可诱导启动子）、无痕精准编辑方法，以及越来越复杂的大片段和染色体水平工程策略15, 16, 17, 18, 19•, 20•。在本文中，我们回顾了 钠弧菌 的遗传工程演变过程，重点介绍了 TfoX 系统的机制，并探讨了这一调控系统如何促进了现有复杂多重和精准编辑工具的发展。

章节摘录

由 TfoX 系统调控的自然 competence

在 弧菌 种中，自然 competence 由一个分层的调控级联控制，该级联整合了环境和生理信号，以协调 DNA 吸收和重组机制的表达21。这一过程通常由生态线索启动，主要是几丁质及其降解产物，这些信号由膜相关模块（如几丁质结合蛋白（CBP）/ChiS 系统和调控因子 TfoS）感知22, 23。这些传感器激活了小的调控

通过自然转化进行的多重基因组编辑

Dalia 及其同事的一项开创性研究表明，通过外源表达 TfoX 可以使 钠弧菌 具备自然转化能力13。虽然许多 弧菌 种在几丁质的作用下会自然产生 competence，从而诱导 TfoX 的表达25，但在几丁质上培养 钠弧菌> 未能观察到可检测的转化13。然而，作者证明，外源表达 TfoX（无论是内源基因还是

在过去十年中，钠弧菌 的遗传工具集已经从简单的转化协议发展到 MuGENT、NT-CRISPR 和 INTIMATE 等复杂平台。这一发展轨迹清楚地表明了从确定是否可以进行编辑，到优化编辑方法，再到实现基因组工程的可预测性、可重用性和可扩展性的目标。这些方法为实际应用带来了巨大潜力。例如，MuGENT

钟森林参与了研究构思、文献调研、图表制作和手稿起草。唐嘉欣参与了研究构思并修订了手稿。戴卓军参与了研究构思，监督了整个项目，并负责手稿的起草和修订。

作者声明他们没有可能不恰当地影响本文所述工作的财务、个人或其他关系。

本研究部分得到了 国家重点研发计划（2024YFA0920100）、深圳市医学研究基金（资助编号 D2401010）和 深圳市科技计划（KJZD20230923114814031）的支持。