基于CmeR-PcmeO生物传感器辅助多通路优化的工程大肠杆菌高效生产水杨酸

《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》：Efficient production of salicylic acid through CmeR-PcmeO biosensor-assisted multiplexing pathway optimization in Escherichia coli

本研究针对工业生物制造中微生物耐受性差的挑战，开发了基于CmeR-PcmeO生物传感器的高通量筛选系统，结合适应性进化（ALE）和CRISPRi动态调控技术，成功构建了耐受2.1 g/L水杨酸（SA）的大肠杆菌工程菌株W3110K-4，其SA产量提升至1477.8 mg/L，较对照菌株提高30%。全基因组测序揭示了ducA和抗药性基因（ymdA等）突变的关键作用。该研究为芳香族化合物的微生物合成提供了通用性策略，并发表于《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》。

　　水杨酸（SA）作为阿司匹林等药物的关键前体，传统生产依赖高污染化工工艺或低效植物提取。尽管微生物合成SA的途径已被阐明，但产物毒性严重限制产量提升。现有研究多聚焦特定营养缺陷型菌株（如ATCC31882），其工业适用性受限。如何构建兼具高耐受性和高产量的通用型菌株，成为代谢工程领域的难题。

江南大学研究人员通过适应性进化（ALE）结合新型生物传感器技术，突破这一瓶颈。他们首先对大肠杆菌W3110进行长达200代的SA梯度驯化，获得耐受2.1 g/L SA的菌株W3110K-3。随后创新性地设计CmeR-P_cmeO生物传感器系统：通过分子对接发现调控蛋白CmeR的F99位点为核心结合位点，将其突变为丙氨酸（F99A）后，传感器动态检测范围扩展至15 mM SA。利用该传感器筛选的高产菌株W3110K-4，SA产量达588.1 mg/L，较初始菌株提升2.1倍。

研究进一步整合多通路调控策略：将SA合成关键酶entC（异分支酸合酶）和pchB（异分支酸丙酮酸裂解酶）整合至基因组，同时采用CRISPRi系统动态抑制竞争途径基因（trpE^sg3、pheA^sg1、tyrA^sg3）。通过启动子工程优化（如P_O1O3）和核糖体结合位点（RBS）调整，实现代谢流精准平衡，最终使SA产量跃升至1477.8 mg/L，发酵周期缩短至42小时。

全基因组测序揭示适应性突变集中于ducA和抗性基因簇（ymdA、csgB等），这些突变不仅增强SA耐受性，还意外赋予噬菌体抗性。研究首次报道csgB（卷曲菌毛蛋白基因）突变可能通过改变细胞膜通透性缓解SA毒性，为耐受机制研究提供新视角。

该研究的意义在于：1）开发了可推广的CmeR-P_cmeO传感器架构，为芳香族化合物检测提供通用工具；2）提出“ALE+传感器筛选+动态调控”三位一体策略，突破产物抑制瓶颈；3）突变株W3110K-4兼具高产与噬菌体抗性，具备工业化应用潜力。论文为微生物细胞工厂的理性设计提供了范式，相关技术已拓展至其他高价值芳香衍生物生产。