BioFuse：一种可编程的基因表达定时开关系统及其在细菌代谢调控中的应用

为解决基因表达时序调控范围有限、依赖外源诱导剂等问题，研究人员开发了基于腺嘌呤碱基编辑器(ABE)的可编程定时开关BioFuse。该系统通过串联DNA盒的级联编辑实现小时至天级的时间调控，成功应用于大肠杆菌(E. coli)番茄红素生产和细菌自溶系统，为合成生物学和工业发酵提供了新型调控工具。

　　

在微生物的世界里，时间尺度与人类感知截然不同——大肠杆菌(Escherichia coli)的整个生命周期可能仅需20分钟。这种微小生物的生长、分裂等行为受精密的时间调控基因网络支配，然而现有调控方法存在明显局限：化学诱导剂需要人工干预，群体感应受限于细胞浓度阈值，遗传振荡器则难以实现精确的定时控制。更关键的是，在工业发酵、生物医药等实际应用中，往往需要小时至天级的调控能力，这远超出细菌自然生命周期的范畴。如何建立广范围、高精度的基因表达定时控制系统，成为合成生物学领域亟待突破的难题。

《SCIENCE ADVANCES》最新发表的研究给出了创新解决方案。研究团队开发了名为BioFuse的可编程基因表达定时开关系统，其核心技术包括：1）基于ABE8e-dCas9融合蛋白的基因编辑系统；2）设计串联重复的"保险丝样"DNA盒(push sites)实现级联编辑；3）优化sgRNA表达比例提升编辑效率；4）应用Sanger测序结合自主开发的San-analysis软件分析编辑效率；5）采用荧光报告基因(mCherry/eGFP)和高效液相色谱(HPLC)定量评估调控效果。

研究结果部分，"Principles and construction of BioFuse"展示了系统核心设计：串联DNA盒通过ABE介导的A·T→G·C突变实现顺序编辑，最终调控下游启动子活性。实验证实，增加push sites数量可线性延长调控时间(Off-0至Off-5对应12-60小时)。"BioFuse-mediated multiplex regulation of gene expression"部分，通过On-2-mCherry/On-4-eGFP组合实现了时序差异表达，在细菌菌落中形成"开花"状荧光分布，证明系统可扩展至多基因调控。

在应用验证方面，"BioFuse-mediated decoupling of cell growth from production"显示，使用On-2调控番茄红素合成基因簇(crtE/crtB/crtI)，使工程菌先快速生长后高效生产，最终产量提升5倍(P<0.001)。"BioFuse-mediated temporal control of bacterial autolysis"则构建了基于φX174E毒素和溶菌酶的级联裂解系统，On-2-lysis菌株72小时裂解率>90%，电镜观察证实裂解时序可控。

"Enhancing tunability and robustness of BioFuse system"部分通过三项关键优化提升性能：1）设计γ型push sites使编辑效率提升至96.5%；2）调节psgRNA/ssgRNA比例为1:0.33最优；3）建立指数衰减模型定量预测Off-9的编辑动力学。这些改进使系统时间调控范围扩展至9天，并保持良好稳定性。

讨论部分指出，BioFuse相比DOMINO、DNA Typewriter等现有系统，在时间尺度(小时至天)和操作简便性方面具有显著优势。其应用价值体现在三方面：1）工业发酵中实现生长-生产模式自动转换；2）医疗领域可用于工程菌定时裂解释药；3）作为生物信号滤波器，通过调整长度设定响应阈值。研究还展望了将系统拓展至真核生物的潜力，因ABE已在多物种中验证有效。

这项研究突破了合成生物学中时序调控的技术瓶颈，其设计的模块化、无外源诱导特性大幅降低了应用成本。特别是系统在番茄红素生产中的成功示范，为微生物制造高附加值化合物提供了新范式。未来通过整合新型碱基编辑器，BioFuse有望在更广领域实现复杂的人工生命程序控制。