天津工生所開發出新型大腸桿菌光／暗誘導高效表達系統

大腸桿菌在生物基化學品和酶蛋白生產中應用廣泛。乳糖操縱子系統是大腸桿菌中調控基因表達的組成部分，其中阻遏蛋白LacI通過結合操縱序列來抑制基因的轉錄。誘導劑IPTG通過與LacI結合，解除其抑制作用，從而調控基因表達。IPTG對菌體生長有一定的抑制作用，但價格較昂貴，誘導不可逆。

近日，中國科學院天津工業生物技術研究所張燕飛團隊開發了兩種新型光控大腸桿菌基因表達系統，使用光照或黑暗代替IPTG，實現了安全、無毒、易操控地進行蛋白質生產與代謝通量調控。

該團隊以乳糖操縱阻遏蛋白LacI為研究對象，通過理性設計與光控蛋白質工程化改造，引入藍光響應元件AsLOV2結構域，構建了兩種響應藍光/黑暗的阻遏蛋白突變體OptoLacI^L和OptoLacI^D。該團隊基于OptoLacI，構建了分別響應藍光或黑暗的光控大腸桿菌基因表達系統——OptoE.coli^Light系統和OptoE.coli^Dark系統。與IPTG誘導系統相比，兩個系統使用光照或黑暗作為誘導條件，實現對基因表達的誘導與控制。光/暗調控基因表達系統不使用化學誘導劑，可以分別實現光照誘導表達與黑暗誘導表達，其誘導效果與IPTG相當，且安全、無毒、易操控。

該團隊將OptoE.coli^Dark系統應用于蛋白質生產和細胞工廠代謝途徑的調控，實現了葡萄糖脫氫酶、甲醛合酶、堿性蛋白酶、綠色熒光蛋白等多種酶蛋白的高效表達。在代謝通量控制方面，黑暗誘導生產1,3-丙二醇和麥角硫因的滴度分別超過IPTG誘導的110%和60%。該光/暗表達系統以光控阻遏蛋白OptoLacI為核心元件且組分簡單，在大腸桿菌中表現出色，具有良好的系統遷移性，可適用于除大腸桿菌以外的其他細菌和真核細胞，為更廣泛的光/暗調控基因表達的應用提供了新工具。

相關研究成果發表在《核酸研究》（Nucleic Acids Research）上。研究工作得到國家重點研發計劃和天津市合成生物技術創新能力提升行動專項的支持。

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