群體感應系統(tǒng)的合成生物學研究進展

胡譯丹，王兆守，吳忻，方柏山

（廈門大學 化學化工學院，福建 廈門361021）

合成生物學（synthetic biology）是一門致力于從零開始構建生物基因組的學科，重塑生命是這一學科的核心思想.與基因工程把一個物種的基因延續(xù)、改變并轉(zhuǎn)移至另一物種的做法不同，合成生物學的目的在于建立人工生物系統(tǒng)，讓它們像電路一樣運行［1-2］；與傳統(tǒng)生物學通過解剖生命體以研究其內(nèi)在構造的方法不同，合生物學研究方向是從最基本的要素開始，一步步建立零部件，再構建各個零部件的組合，整個過程是一個“逆自然世界的過程”［3］.簡單地說，合成生物學旨在以人工手段制造出生物系統(tǒng)，其涵蓋的研究內(nèi)容大體分為3個層次：一是利用已知功能的天然生物模體（motif）或模塊（module）構建成的新型調(diào)控網(wǎng)絡并表現(xiàn)出新功能［4］；二是采用從頭合成的方法人工合成基因組DNA并重構生命體，如美國Venter實驗室在《Science》發(fā)表了一項用人工合成基因組制造支原體細胞的研究成果［5］；三是在前兩個領域得到充分發(fā)展的基礎上，創(chuàng)建完整的全新生物系統(tǒng)乃至人工生命體［6］.合成生物學和系統(tǒng)生物學有相似的邏輯關系，可以看作是后者在技術層面上的發(fā)展，因此也稱其為“工程生物學”［7］.據(jù)估計，合成生物學將帶來數(shù)十億美元的商業(yè)機遇，在醫(yī)藥、生物能源、化學品和農(nóng)業(yè)領域展示了良好的發(fā)展前景，有人預言合成生物學將帶來人類歷史上的第三次工業(yè)革命［8-9］.

存在于某些革蘭氏陰性菌中的群體感應系統(tǒng)因為結(jié)構簡單、機理清晰，常被用于表征復雜的細胞內(nèi)應答機制和構建不同群體感應模塊，對合成生物學的研究有著深遠的影響［10］.近年來，隨著不可再生化石資源的不斷消耗，以可再生的生物資源為原料的生物化工行業(yè)越來越受到人們的重視.合成生物學作為一門工程學科，被廣泛地應用到生物化工領域中.

1 群體感應系統(tǒng)

群體感應系統(tǒng)最早發(fā)現(xiàn)于費氏弧菌（Vibriofischeri）中，這種細菌可以產(chǎn)生并向胞外分泌一些信號分子，細菌間利用這些信號分子進行交流，并感應群體密度的變化［11-12］.費氏弧菌中的群體感應系統(tǒng)由轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子Lux R與信號分子合成酶Lux I調(diào)控.當菌體濃度較低時，在合成酶Lux I的作用下，細菌會合成信號分子N-3-（氧己酞）同型絲氨酸內(nèi)酯（OH HL），并通過細胞膜分泌到環(huán)境中.隨著菌體濃度不斷增加，OHHL的濃度也隨之增高，當達到一定的閾值時，OHHL將與Lux R蛋白結(jié)合，從而激活熒光酶基因luxAB的表達，導致弧菌發(fā)光［13］.同時，OHHL和Lux R蛋白結(jié)合后又將增大OHHL合成基因luxI的表達，形成正反饋，使上述信號系統(tǒng)不斷放大.這種調(diào)節(jié)機制導致熒光蛋白的合成在誘導前后發(fā)生巨大的變化，即誘導前后的合成水平相差超過一萬倍［14］.費氏弧菌的群體感應系統(tǒng)，參見文獻［15］.

2 群體感應系統(tǒng)用于細胞濃度控制

You等［16］將克隆自費氏弧菌的luxR，luxI及l(fā)uxp R基因和細菌致死基因ccdB一起導入大腸桿菌中，成功實現(xiàn)了模擬大腸桿菌的程序性死亡.其構建的細胞濃度控制程序，參見文獻［16］.Balagadde等［17］利用不同來源群體感應系統(tǒng)的相關基因，構建了更為復雜的細胞濃度控制系統(tǒng)（predatorprey ecosystem）.這種由兩種大腸桿菌構成的生態(tài)系統(tǒng)，二者的交流由群體感應系統(tǒng)的基因表達來調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了用細菌來模擬生態(tài)界的捕食關系.

本課題組利用從美國麻省理工學院獲得的生物磚，將群體感應系統(tǒng)的關鍵基因?qū)氪竽c桿菌，通過在啟動子luxp R下游拼接不同核糖體結(jié)合位點（RBS）序列的致死融合基因lacZa-ccdB，成功構建了一系列標準化的細胞濃度控制元件［18］.同時，研究表明：RBS效率與細胞濃度密切相關，RBS效率越高，細胞濃度被控制地越低.在上述工作的基礎上，對細胞濃度控制元件中的啟動子luxp R進行了定點突變［19］，實現(xiàn)了將細胞濃度控制在不同的水平［20］.

3 群體感應系統(tǒng)用于生物被膜信號通路

銅綠假單胞菌（Pseudomonasaeruginosa）中有2個標志性的群體感應系統(tǒng)，分別是LasI／LasR和RhlI／RhlR，這兩個系統(tǒng)用來調(diào)節(jié)細菌生物被膜的形成［21］.其中LasI產(chǎn)生的信號分子3OC12HSL，可以被LasR感應；而RhlI產(chǎn)生的信號分子C4 HSL，可以被Rhl R感應［22］.在合成生物學領域，LasI／LasR和RhlI／RhlR系統(tǒng)被用來設計成生物被膜信號通路，該通路在生物信號傳遞方面非常有潛力，能夠被開發(fā)成為綜合性的基因信號網(wǎng)絡［23］.

Hong等［24］基于對生物被膜信號通路的研究，通過控制枯草芽孢桿菌（Bacillussubtilis）胞內(nèi)外信號分子的表達，設計出一種工程生物被膜，這種新型被膜可以分泌多種抗菌肽來抑制硫酸鹽細菌的生長，從而降低該細菌的腐蝕作用.此外，這種生物被膜信號通路也可用于大腸桿菌（Escherichiacoli）和熒光假單胞菌（Pseudomonasfluorescens）中.

4 合成生物學在生物化工領域的應用

Atsumi等［25］在研究長鏈醇代謝途徑的過程中，利用合成生物學的原理在大腸桿菌中重構異丁醇產(chǎn)生途徑，以葡萄糖為原料，通過非發(fā)酵途徑高效轉(zhuǎn)化丙酮酸合成丙醇、正丁醇、2-甲基丁醇等化學品.同時，該實驗室還構建了一株工程菌，能夠通過光合作用將大氣中的CO2轉(zhuǎn)化為化學品異丁醛［26］.

合成生物學也被應用于乙醇的生產(chǎn)中，Sonderegger等［27］在啤酒酵母的木糖代謝過程中編程磷酸酮（醇）醇酶途徑來增加NAD＋的有效利用，從而增加乙醇的產(chǎn)量.Trinh等［28］通過定向敲除策略去除大腸桿菌中與乙醇代謝無關的途徑，優(yōu)化從戊糖和己糖生產(chǎn)乙醇的途徑，進而提高乙醇的得率.

George等［29］發(fā)起成立了LS9可再生石油公司，他們用合成生物學的方法組裝了一些代謝模塊，從而在大腸桿菌中構建了烷烴／烯烴合成的代謝途徑，通過這種新的代謝途徑，微生物可以生產(chǎn)長度及分子結(jié)構符合公司要求的烷烴，比如柴油、汽油等能源化學品.

Zhang等［30］根據(jù)合成生物學的原理，將13個已知的酶組成一個新的催化體系，可以在溫和條件下轉(zhuǎn)化淀粉和水產(chǎn)生氫，再通過燃料電池產(chǎn)生電能.這在汽車領域應用潛力巨大，有可能成為驅(qū)動汽車的綠色能源.

聚乳酸是一種可被生物降解的塑料，近年來對其研究很多，合成生物學已被應用于這種新型環(huán)保材料的制備.Taguchi等［31］在大腸桿菌中構建了基于乳酸脫氫酶（LDH）、丙酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶（PCT）、PHA聚合酶（PhaCPs）的聚乳酸合成途徑.

本課題組長期從事合成生物學方面的研究，將群體感應系統(tǒng)的關鍵基因?qū)氪竽c桿菌，成功構建了一系列標準化的細胞濃度控制元件，實現(xiàn)了將細胞濃度控制在不同的水平［18-20］.這一研究成果應用于生物化工領域，可以提高發(fā)酵過程中微生物單位時間和單位體積的生產(chǎn)效率，優(yōu)化產(chǎn)物的合成途徑，最大程度地獲得所需的目標化學品［32］.

5 展望

合成生物學作為21世紀的一門新興學科，在近幾年發(fā)展十分迅速，但是基于群體感應系統(tǒng)的合成生物學研究還是略顯不足.因此，需要對影響群體感應系統(tǒng)的各種因素進行深入分析，進而建立數(shù)學模型，為微生物“編程”，將其長時間維持在所需要的濃度，通過延長穩(wěn)定期來增加發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量，通過延長指數(shù)期以便于對微生物生長動力學進行研究.這就意味著可以更有效地控制發(fā)酵過程，使微生物始終處于最佳工作狀態(tài)，使生產(chǎn)效率成倍增加，使投入的成本得到最大化利用.

利用合成生物學的方法，可以對微生物的各種代謝途徑進行“編程”，使它們能夠像化工設備一樣生產(chǎn)各種我們所需要的化學品.因此，將基于群體感應系統(tǒng)的合成生物學研究應用于生物化工領域具有廣闊的發(fā)展空間和誘人的市場前景，值得科技工作者在該領域開展進一步的研究.

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