通过工程改造生物传感器来提高酵母中单萜类吲哚生物碱的产量

《TRENDS IN Biotechnology》：Engineering biosensors to enhance monoterpene indole alkaloid production in yeast

　　

技术成熟度

本文报道的基于RamR的单萜吲哚生物碱（MIA）生物传感平台目前处于技术成熟度3-4级。核心生物传感器组件已在细菌和酵母实验室系统中经过实验验证，同时将strictosidine传感器应用于酵母生产菌株中的188个基因过表达文库筛选。实验结果表明，荧光输出与色谱法测得的strictosidine浓度之间存在高度一致性，从而成功识别出能够将strictosidine产量提升至220 mg/l以上的工程目标基因。

在实现工业应用或常规生物制造之前，还需要进一步开发。主要需求包括将生物传感器检测范围扩展到其他代谢中间产物和最终产物生物碱；优化在代谢负担较大的生产菌株中的传感器性能；以及将上清液转移检测方法适配到自动化液体处理或基于液滴的工作流程中。若能解决这些挑战，该平台将显著加速酵母菌株的优化，以实现MIA类药物的可持续生产。

亮点

RamR是一种天然存在于细菌中的蛋白质，原本与抗生素抗性相关，但被重新利用来开发针对五种植物来源药物生物碱的敏感生物传感器，这些药物包括抗癌药、抗疟疾药和止痛药的前体。

通过改造RamR使其在酵母中发挥作用，可以将生物碱的生产转化为荧光信号，从而替代耗时且成本高昂的化学分析方法，实现快速、可扩展的检测。

这种检测方法能够以经济高效的方式筛选出能产生strictosidine的工程酵母菌株，而strictosidine是一种可以作为超过3000种生物活性碱类化合物合成的起始物质的植物化合物。

通过该生物传感器对188个基因进行筛选，发现线粒体功能和脂质代谢是潜在的工程改造目标，这些改造使酵母中的生物碱产量提高了三倍。

摘要

单萜吲哚生物碱（MIAs）是具有药用价值的植物天然产物，但其稀缺性和复杂的结构限制了传统生产方法的应用。微生物细胞工厂提供了一种可持续的替代方案，但由于昂贵的、通量低的分析技术，其漫长的生物合成途径优化受到限制。在本文中，我们改造了多用途细菌转录因子RamR，使其能够检测五种MIAs，并获得了灵敏度与选择性均极高的生物传感器变体（EC??值低于10 μM）。我们将RamR功能化后应用于酵母，通过筛选188个基因过表达文库，成功提高了所有MIAs的共同前体——strictosidine的产量。生物传感器的荧光信号与高效液相色谱（HPLC）测量结果高度吻合（r2 = 0.932），从而识别出多种工程目标基因，这些基因共同作用使strictosidine的产量提升了三倍以上（超过220 mg/l）。基于RamR的这一生物传感平台实现了经济高效的筛选方法，使大型生物设计空间能够通过实验进行验证，加速了MIAs及其他复杂天然产物的菌株和酶工程开发。

图形摘要