枯草芽孢杆菌合成生物学元件开发取得新进展

枯草芽孢杆菌是一种重要的生物安全菌株，在工业、农业等多个领域具有重要应用。近年来，合成生物技术的快速发展为代谢工程提供了有力工具，各种标准化元件在代谢网络优化中显示出巨大应用价值。在代谢网络各个水平的调控中，转录水平的调控起着关键作用，启动子在转录水平调控中居于关键地位，是重要合成生物学调控元件。目前在枯草芽孢杆菌的组成型启动子研究中，主要集中在天然启动子的筛选、表征和修饰，而天然启动子的活性可能受到其所在序列环境的调控影响，干扰其在不同基因线路中的通用性。

近日，天津大学化工学院代谢工程与系统生物学团队，在枯草芽孢杆菌合成生物学元件的研究中取得新进展，该团队构建和表征了枯草芽孢杆菌高质量的人工启动子文库，进一步利用不同模型对文库进行分析，并成功地进行了代谢网络优化。

图1：Table of Contents

该报道基于对野生型Bacillus subtilis 168芯片转录组数据的分析，发现和利用依赖Sigma-A识别的启动子序列规律，设计启动子文库序列，以gfp 为报告基因，筛选了约5000个启动子，最终选取强度梯度分布规律的214个启动子序列进行测序和分析。

作者对文库序列进行了多元统计模型分析，基于文库序列规律和启动子串联重构强启动子，其中重构获得的启动子TP2为枯草芽孢杆菌强启动子P43强度的2.77倍。该研究提出的基于高频率“碱基-位点”组合来重构启动子的策略为合成生物学研究中理性设计启动子元件提供了一种有效方案。

最终作者利用该文库启动子进行了枯草芽孢杆菌代谢网络优化，包括途径基因的过表达和弱表达。在途径通量弱化的研究中，以肌苷生产菌株为出发菌，利用文库中的弱启动子弱表达肌苷生产菌株的嘌呤途径必需基因purA，肌苷产量提高了7倍，且工程菌的生长无影响。在基因过表达研究中，利用强启动子TP2过表达木聚糖酶基因xynA，提高了木聚糖分解和利用能力，在以木聚糖为唯一碳源的培养基中，利用木聚糖产乙偶姻工程菌株表现出更好的生长能力，且乙偶姻产量提高44%。

该研究首次报道枯草芽孢杆菌中“从头”设计合成人工启动子文库，并通过模型分析阐述了序列分布与启动子强度间的关系，对枯草芽孢杆菌代谢网络调控和合成生物学元件构建方面的研究具有重要贡献。相关研究成果近期发表在ACS Synthetic Biology 上，文章的通讯作者为天津大学化工学院生物化工系王智文副教授，第一作者为生物化工专业博士生刘丁玉。

该论文作者为：Dingyu Liu, Zhitao Mao, Jiaxin Guo, Leyi Wei, Hongwu Ma, Yajie Tang, Tao Chen, Zhiwen Wang and Xueming Zhao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Construction, Model-Based Analysis, and Characterization of a Promoter Library for Fine-Tuned Gene Expression in Bacillus subtilis

ACS Synth. Biol., 2018, DOI: 10.1021/acssynbio.8b00115

王智文副教授简介

王智文，博士，天津大学化工学院生物化工系副教授，博士生导师。2011年于天津大学化工学院制药工程系获得博士学位，同年受聘为天津大学化工学院生物化工系讲师。系统生物工程教育部重点实验室、天津化学化工协同创新中心和发酵技术国家工程研究中心成员。美国化学工程师协会（AIChE）和国际代谢工程学会（IMES）会员。2014年入选“天津大学北洋学者-青年骨干教师”。主持国家“863”计划子课题，国家自然科学基金青年基金、面上项目等国家级项目5项、省部级项目1项，以学术骨干参与国家级项目5项。第一/通讯作者在Green Chemistry、Metabolic Engineering、ACS Synthetic Biology、Biotechnology for Biofuels、Biotechnology& Bioengineering 等高水平期刊发表SCI收录论文28篇；第一发明人申请国家发明专利12项；以副主编参编国家级规划教材《代谢工程》，执笔4万余字。王智文副教授的研究方向包括：基因组尺度代谢网络模型重构与模拟设计；基因组编辑与合成生物学元件开发；合成重要生物基化学品、能源、医药的微生物细胞工厂构建。

http://www.x-mol.com/university/faculty/13295