基于内源群体感应系统的双功能动态调控策略显著提升链霉菌次级代谢产物合成效率

为解决链霉菌代谢工程中缺乏动态调控工具导致生产效率低下的问题，研究人员利用内源avenolide介导的群体感应(QS)系统，在阿维菌素(AVE)生产菌株中构建了可同时动态上调和下调多基因的双功能调控系统。通过动态上调前体供应基因和下调竞争途径节点基因，使野生型菌株阿维菌素B1a产量最高提升727.4%，工业菌株产量突破8067.6 μg/mL。该研究为微生物细胞工厂构建提供了普适性调控策略。

　　

在微生物制药领域，链霉菌作为"天然药厂"可产生包括阿维菌素(avermectin, AVE)在内的多种高价值抗生素。然而传统静态代谢工程存在显著局限：强制过表达关键基因可能导致代谢失衡，而敲除竞争途径基因又可能影响菌体生长。更棘手的是，链霉菌缺乏像大肠杆菌中Lux系统那样的动态调控工具，难以实现生长与生产的时空平衡。阿维菌素B1a作为最有效的抗寄生虫组分，其生物合成需要精确协调2-甲基丁酰辅酶A(MBCoA)、甲基丙二酰辅酶A(MMCoA)和丙二酰辅酶A(MalCoA)三种前体的供应，但现有方法无法同时优化多个代谢通路的流量分配。

针对这一难题，国内某研究团队创新性地利用阿维链霉菌(Streptomyces avermitilis)内源的avenolide群体感应(QS)系统，开发出可同时实现基因动态上调和下调的双功能调控平台。该系统的精妙之处在于巧妙结合了细菌的"人口普查"机制——当菌体密度达到阈值时，信号分子avenolide会解除受体AvaR1/AvaR2对靶基因的抑制，实现完全自主的时空调控。研究人员通过融合内源QS元件与合成生物学工具，构建了两套独立但兼容的基因回路：动态上调回路采用含有AvaR结合位点的杂交启动子SP44-H₂控制前体合成基因；动态下调回路则通过QS响应型启动子acop驱动CRISPRi系统(dCas9)表达，靶向三羧酸循环(TCA)、天冬氨酸降解和乙酸合成途径的关键节点基因。

研究主要采用启动子活性报告系统(GFP)、代谢通量分析和多组学联用技术，在野生型和高产工业菌株A229中验证系统性能。通过qPCR和代谢物检测证实，动态上调回路使MBCoA合成酶基因表达量提升8.3倍，MMCoA羧化酶活性增加5.7倍；动态下调回路则使竞争途径基因表达降低62-89%。在分子机制层面，染色质免疫共沉淀(ChIP)证实AvaR受体在低密度时结合acop启动子，而随着avenolide积累，这种结合被逐步解除，完美实现了"生长-生产"的自适应转换。

研究结果显示：在野生型菌株中，单独应用动态上调回路使AVE B1a产量提升727.4%；而动态下调竞争途径基因带来589.6%的增产效果。当双回路在工业菌株A229中联用时，产量达到惊人的8067.6 μg/mL，较原始工业菌株再提高25.7%。代谢流分析显示，这种协同效应源于前体供应增强与碳流重定向的双重优化——MMCoA胞内浓度增加4.2倍，而乙酸副产物积累减少81%。

该研究的突破性在于首次实现了内源QS系统驱动的双向动态调控，避免了异源系统需要反复调试的缺陷。作者在讨论中指出，这种策略具有显著普适性：任何已鉴定内源QS系统的微生物都可快速适配该框架。正如审稿人所强调的，这项工作不仅为阿维菌素工业生产提供了颠覆性技术，更重要的是创立了代谢工程的新范式——通过模拟细菌天然的群体行为调控机制，实现多通路协同优化。论文成果发表在《Bioresource Technology》上，为合成生物学工具开发提供了经典范例。

从应用前景看，这种"感知-响应"型智能调控系统特别适合解决次级代谢产物生产中普遍存在的"代谢悖论"——即必需基因不能敲除但需要暂时抑制的矛盾。研究团队正在将该策略拓展至其他重要抗生素如红霉素和万古霉素的生产菌株改造，初步数据显示类似增产效果。随着更多微生物QS系统被解析，这种基于内源信号的双功能调控平台有望成为代谢工程领域的通用"工具箱"。