基因表達(dá)的精確調(diào)控是代謝工程與合成生物學(xué)的核心技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)高值化合物在微生物細(xì)胞工廠(chǎng)中“智造”的重要手段。鏈霉菌是一類(lèi)具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的革蘭氏陽(yáng)性菌，具有產(chǎn)生多種生物活性天然產(chǎn)物的能力，在生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，鏈霉菌的基因表達(dá)調(diào)控復(fù)雜，經(jīng)過(guò)幾十年的研究，僅有少數(shù)幾個(gè)基因誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)可供選擇，且這些誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)存在一定的局限性，如高滲漏表達(dá)、誘導(dǎo)劑毒性、誘導(dǎo)劑易降解和不可逆性等問(wèn)題。針對(duì)這些難題，牛國(guó)清研究員團(tuán)隊(duì)先后利用合成生物技術(shù)開(kāi)發(fā)了兩套鏈霉菌誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)：纖維二糖誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)（ACS Synthetic Biology 2021）和鼠李糖誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)（ACS Synthetic Biology 2024）。這兩套誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)解決了高滲漏表達(dá)和誘導(dǎo)劑毒性問(wèn)題，但誘導(dǎo)劑可被當(dāng)作碳源利用，且添加纖維二糖或鼠李糖后的誘導(dǎo)過(guò)程是不可逆的。近日，牛國(guó)清研究員團(tuán)隊(duì)在鏈霉菌基因表達(dá)調(diào)控領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)研究論文 “A tunable and reversible thermo-inducible bio-switch for streptomyces” 于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Nucleic Acids Research》（《核酸研究》）正式發(fā)表。該研究成功構(gòu)建了一種基于溫度感應(yīng)調(diào)控因子 RheA 的新型溫度誘導(dǎo)基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)（StrepT-switch），為鏈霉菌的基因工程改造及天然產(chǎn)物合成研究開(kāi)辟了新路徑。
牛國(guó)清研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入探索鏈霉菌熱休克蛋白調(diào)控機(jī)制，利用模塊化設(shè)計(jì)理念成功構(gòu)建了 TRS01 和 TRS02 兩種高性能熱誘導(dǎo)基因表達(dá)模塊。實(shí)驗(yàn)表明，這兩種模塊在模式菌株小白鏈霉菌 J1074 中展現(xiàn)出卓越的誘導(dǎo)活性，同時(shí)有效降低了滲漏表達(dá)，其中 TRS02 能夠在生理溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)靶基因表達(dá)的精準(zhǔn)調(diào)控，并具有顯著的可逆性?xún)?yōu)勢(shì)。
為全面評(píng)估 StrepT-switch 的應(yīng)用價(jià)值，研究團(tuán)隊(duì)將其應(yīng)用于 CRISPR/Cas9 介導(dǎo)的基因組編輯、抗生素合成調(diào)控以及形態(tài)分化調(diào)控等領(lǐng)域。研究結(jié)果顯示，StrepT-switch 在降低 Cas9 核酸酶毒性、提升基因編輯效率方面效果顯著，實(shí)現(xiàn)了對(duì)抗生素合成基因的精準(zhǔn)編程調(diào)控，以及對(duì)委內(nèi)瑞拉鏈霉菌形態(tài)分化的有效控制。此外，通過(guò)該系統(tǒng)調(diào)控 ZouA 依賴(lài)的 DNA 擴(kuò)增系統(tǒng)，顯著提升了放線(xiàn)紫紅素的產(chǎn)量。尤為重要的是，該團(tuán)隊(duì)成功將熱誘導(dǎo)生物開(kāi)關(guān)適配至大腸桿菌，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍。此項(xiàng)研究成果不僅為合成生物學(xué)提供了新型溫度感應(yīng)調(diào)控模塊，豐富了鏈霉菌基因表達(dá)調(diào)控工具庫(kù)，更為推動(dòng)鏈霉菌在生物醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供了重要的理論依據(jù)與技術(shù)支撐。
農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院博士研究生呂瀾鑫以及碩士研究生劉碩和付宇蝶為共同第一作者，牛國(guó)清研究員為通訊作者，課題組其他同學(xué)參與了部分工作。西南大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院生物學(xué)研究中心王翊教授和博士研究生孫家賀以及上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院蘆銀華教授也參與了部分工作。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)“新型生物農(nóng)藥分子創(chuàng)制與產(chǎn)業(yè)化"和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的資助。
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