少有毒代谢物，多化学产品

JBEI的研究人员使用他们的系统使大肠杆菌(E. coli)中非苯二烯的产量增加了一倍，非苯二烯是主要抗疟药物青蒿素的前体。

通过全基因组转录分析，JBEI的研究人员在大肠杆菌中确定了DNA的原生区域——称为“启动子”，通过促进保护性基因的表达来对有毒代谢物做出反应。然后，他们开发了一种基于这些启动子的系统，用于调节人工代谢途径，使细菌能够产生非苯二烯。

“有毒代谢物水平的静态调节器已经被开发出来，但这是第一个对微生物生长和环境条件的变化做出反应的代谢物调节器，”JBEI首席执行官、合成生物学排名权威Jay Keasling说，他领导了这项研究。“能够感知环境或生长变化并做出反应的控制系统是理想化学品的最佳生产所必需的。”

Keasling还担任劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的生物科学副实验室主任，该实验室是JBEI合作伙伴关系的主要研究所，他是《自然生物技术》杂志上一篇描述这项研究的论文的通讯作者。这篇论文的标题是“使用应力响应启动子的工程动态路径调节”。合著者有Robert Dahl、Zhang Fuzhong、Jorge Alonso-Gutierrez、Edward Baidoo、Tanveer Batth、Alyssa reddingjohanson、Christopher Petzold、Aindrila Mukhopadhyay、Taek Soon Lee和Paul Adams。

从拯救生命的药物，如青蒿素，到可持续的绿色生物燃料，微生物代谢工程生产有价值的化学品的重要性继续增长。迄今为止，最有生产力的微生物宿主是那些采用异源途径设计的宿主，它们很少或没有表达代谢产物的本地调控。然而，这种不受调控的异源酶表达可能对宿主是有毒的，这可以限制目标化学物质的生产远低于可以获得的水平。

Keasling说:“尽管合成生物学在创造新颖的动态遗传电路方面取得了很大的进步，但大多数异种代谢途径的控制系统仍然依赖于诱导或组成启动子。”“通过启动子库、mRNA稳定性或核糖体结合来调整表达强度的方法针对生物反应器中的特定生长阶段或条件进行了优化，然而，在发酵过程中，生长和环境条件会发生变化。”

由于在发酵过程中，中间代谢物在微生物中积累到有毒水平会导致应激反应，Keasling和他的JBEI同事推断，当代谢物积累时，应该有可能利用宿主微生物的原生应激反应系统。对大肠杆菌基因组的转录谱分析使他们能够评估对异源通路的转录反应，并创建一个可用于对中间毒性反应的启动子列表。

Keasling说:“使用这样的启动子来调节通路表达，以响应有毒的中间代谢物，从而在细胞的代谢状态和代谢通路的表达之间建立了联系。”“这使我们能够创造出对通路中间体做出反应和调节的生物传感器。在硅模型中已经表明，我们在这项研究中已经证明，我们的方法可以用于提高所需化学品的生产，而不是各种强度的常见诱导启动子和本构启动子。”

Keasling和他的同事们相信，他们对代谢物调节的动态方法也可以推广到高等生物，在高等生物中，组成型促进子仍然被普遍使用。这有可能改善粮食作物中营养物质的积累，或减少能源作物中使燃料糖提取困难和昂贵的木质素。

Keasling说:“我们正在研究的策略可以帮助减少与养活更大的全球人口或有效地将生物质转化为可再生燃料相关的问题。”