研究實現大腸桿菌實時動態調控葡萄糖攝取率與中心途徑代謝

葡萄糖是工業微生物發酵過程中的主要碳源。葡萄糖的攝取速率決定胞內整體代謝通量。葡萄糖通過糖酵解和磷酸戊糖途徑代謝，可生成多種目標產物。而在細胞培養中，代謝通量的不平衡常使大量葡萄糖未能轉化為目標產物而是轉化為副產物排出。這種低效代謝現象浪費原料并導致細胞生長與生產失衡，影響目標產物生產效率。

近日，中國科學院天津工業生物技術研究所研究員張大偉團隊開發了實時動態監測大腸桿菌葡萄糖吸收速率的方法與遺傳回路。這一方法能夠動態調節葡萄糖攝取速率以及相關代謝途徑的碳通量。

大腸桿菌攝取葡萄糖，會經歷一系列復雜過程，如跨膜轉運、磷酸化、去磷酸化、輔助蛋白招募以及相關因子的表達或抑制等。基于這一調控機制，該團隊開發出能夠實時響應葡萄糖攝取速率的生物傳感器（GURBs），并建立了對葡萄糖攝取速率和中央代謝流進行正負調節的遺傳回路。GURBs的性能和靈敏度在不同條件下得到了驗證。線熒光和離線葡萄糖檢測技術表明，GURBs可以直接測量葡萄糖攝取速率。GURBs被應用于氨基酸、維生素、有機酸等產品合成，通過調控中央代謝途徑代謝流，有望調控遺傳回路的激活或抑制，提高氨基酸、維生素、有機酸的產量。這表明，GURBs可以根據葡萄糖攝取速率動態調節葡萄糖攝取率以及中央代謝和相關途徑的碳通量，從而提高目標產品產量。

葡萄糖作為細胞攝取碳源的第一步，建立葡萄糖實時監測及動態調控技術較為重要。通過基因回路優化代謝流分配，能夠較好地適應培養環境變化，可以有效平衡細胞生長與產物合成之間的代謝競爭，合理分配和利用碳資源，為合成生物設計與細胞工廠的構建提供了重要工具和更多選擇。

相關研究成果發表在《自然-化學工程》（Nature Chemical Engineering）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、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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