近日，我校生物工程学院赵黎明教授课题组在国际著名期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research，IF=16.6）发表题为“Optogenetic control of Corynebacterium glutamicum gene expression”的研究成果。该研究设计了首个谷氨酸棒杆菌的光遗传系统LightOnC.glu，实现了对基因表达的时空精确调控。
在合成生物学与代谢工程领域，构建微生物细胞工厂以高效生产化学品是主要目标之一，而实现微生物代谢网络中代谢流的最优分配是达成该目标的关键所在。谷氨酸棒杆菌作为生产氨基酸和高价值化学品的关键工业菌株，其生产效率的提升一直是科研关注的焦点。其中，平衡细胞生长和产品合成之间的代谢流是提高生产效率的关键环节。然而，长期以来，为谷氨酸棒杆菌开发动态、广泛适用且低毒性的基因调控工具面临巨大挑战，适用于动态调控策略的光遗传学工具此前一直处于空白状态。
为解决上述难题，该研究在模式工业微生物谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）中创制了光控基因表达系统，并将其应用于功能糖的代谢网络优化。首先，利用光控RNA结合蛋白，并结合表达元件的系统优化，开发了重组蛋白间连接区和基因RBS序列的突变文库，创建了多个具有精细可调诱导特性的光控系统。其次，将光敏型生物传感器与基于CRISPRi的逻辑“非”门进行耦合，开发出高性能光控基因干扰系统。基于此，通过将合成网络中的代谢流分布进行重新设计，实现了几丁寡糖和硫酸软骨素合成模块与竞争模块解偶联时序调控，促进了几丁寡糖和硫酸软骨素在谷氨酸棒杆菌中产量的提升。最后，研究构建了光控生物反应器，其中几丁寡糖的生产浓度达到6.2 g/L，创造了几丁寡糖生物合成的最高产量记录。
这项研究在谷氨酸棒杆菌中建立了可编程光响应遗传回路，丰富了基于光信号的动态调控理论和方法。这一突破性成果在优化其他底盘细胞代谢模块和合成其他化合物方面具有巨大的潜在应用价值。
我校讲师邓琛为论文的第一作者，赵黎明教授为通讯作者，本研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目及青年基金等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkae1149
