近日，國際合成生物學領域權威期刊《ACS Synthetic Biology》在線發表了上海交通大學生命科學技術學院趙心清教授與美國德克薩斯大學奧斯汀分校Hal Alper教授的合作研究成果“Design, evolution, and characterization of a xylose biosensor in Escherichia coli using the XylR/xylO system with an expanded operating range”。趙心清教授與Hal Alper教授為本論文的共同通訊作者，趙心清教授與白鳳武教授共同指導的博士生唐瑞琪為論文的第一作者。

木糖是木質纖維素水解產物中含量僅次于葡萄糖的可發酵糖，提高其利用效率對于水解液的高效全糖轉化至關重要，因此，構建能良好利用木糖在內的混合糖的重組微生物菌株是生物質生物煉制的重要研究內容。

近年來，針對不同底物或代謝產物所設計的各種生物傳感器（biosensor）被廣泛應用到菌株選育中。然而，目前所報道的木糖傳感器的，其木糖濃度響應范圍非常有限，在較低的木糖濃度下即達到飽和，無法很好響應培養基中發酵條件下的木糖濃度，限制了這些生物傳感器在高通量篩選菌株中的應用。因此，構建具有較大梯度響應濃度的木糖感應器對于高效篩選菌株具有重要意義。

該研究以大腸桿菌木糖激活因子XylR及相應的operator（xylO）為基礎，設計構建了大腸桿菌新型木糖傳感器，并利用基于易錯PCR 和流式細胞儀篩選，得到梯度響應濃度范圍大幅提高的突變型木糖傳感器，在0到10 g/L木糖中具有很好的梯度響應。同時，該XylR/xylO系統也能應用于β-半乳糖苷酶和番茄紅素生物合成途徑的木糖誘導表達。

該研究將野生型的高靈敏度的木糖傳感器改造成具有較寬響應范圍的傳感器，通過定向馴化選擇了傳統意義上“劣勢”的不靈敏的傳感器，為其他生物傳感器的改造和進化也提供了新的思路。

在之前的研究中，趙心清教授和白鳳武教授團隊利用宏基因組測序分析和功能驗證，在黃牛糞便宏基因組中鑒定了新型木糖異構酶基因，該基因在釀酒酵母中表達后，取得了較好的木糖利用效果，與其他學者經過多輪蛋白定向計劃篩選的同類酶基因的表達效果相當，提示在自然界存在性能良好的天然酶基因資源。相關研究發表在《Applied Microbiology and Biotechnology》上(103:9465-9477)。該研究也為從反芻動物和食草動物糞便宏基因組中獲得單糖代謝酶基因提供了參考，所獲得的酶基因資源可用于構建高效生物轉化微生物重組菌株，提高生物煉制效率（文章鏈接doi: 10.1007/s00253-019-10161-1）。

上海交通大學工業微生物與生物過程工程(IMBE)研究室多年從事微生物代謝工程和合成生物學以及發酵過程優化研究，在木質纖維素生物煉制領域做出了一系列成果，為促進綠色制造和可持續經濟發展提供了基礎。

本研究得到國家自然科學基金委重點項目(No. 21536006)，以及微生物代謝國家重點實驗室開放課題(No. MMLKF19-01)的資助。

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