近日，Nucleic Acids Research在线发表了江南大学未来食品科学中心和生物工程学院陈坚院士团队刘龙教授课题组的研究性论文“A cross-species inducible system for enhanced protein expression and multiplexed metabolic pathway fine-tuning in bacteria”(Li et al., 2025, Nucleic Acids Res., 2025, 53: gkae1315)。江南大学2022级博士研究生李洋为论文第一作者，刘龙教授和李阳阳博士为论文通讯作者。
在合成生物学与代谢工程领域，诱导表达系统一直是实现基因表达精准调控的核心工具。通过诱导剂的添加，研究人员能够像开关一样精确地控制基因的激活与抑制，从而优化细胞工厂的代谢通路，提高目标产物（如重组蛋白、平台化学品和生物聚合物）的合成效率。然而，现有的诱导表达系统大多局限于特定菌株，这使得跨物种的比较分析和应用变得异常复杂，极大地限制了微生物代谢工程的发展。
为了解决这一难题，研究人员通过设计并构建了跨菌株诱导表达系统，旨在增强细菌中的蛋白质表达并实现多重代谢途径精细调控（图1）。首先，研究人员详细设计了跨菌株诱导表达系统的构建流程（图2），并将该方法应用于三种常见的模式微生物（大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和谷氨酸棒状杆菌），筛选出可在三种菌株中实现诱导表达的2,4-二乙酰基间苯三酚（DAPG）和脱水四环素（aTc）诱导表达系统（图3）。为进一步优化表达系统的性能（包括低泄漏，高最大表达强度，高灵敏度和宽动态范围），研究人员构建了阻遏蛋白随机突变文库，并通过筛选获得了在三种菌株中表现优异的突变体（图4）。随后，研究人员对DAPG-和aTc诱导表达系统在三种菌株中的表达曲线进行详细表征，确定了最佳诱导时间与诱导浓度，以便于后续应用。接着，性能更优益的aTc诱导表达系统被用于调控三种菌株中蛋白质表达（sfGFP，mcherry和mScarlet3）以及紫色杆菌素等代谢产物的调控表达（图6）。最后，研究人员利用aTc诱导系统构建了可用于基因激活与抑制的单输入基因回路，对该基因回路进行表征和应用（图7）。
上述研究得到了国家自然科学基金(32270096)、中央高校基本科研专项资金(JUSRP202404017，JUSRP622004)、江苏省合成生物学基础研究中心（BK20233003）、江苏省自然科学基金（BK20240202）和江苏省研究生科研实践创新项目(1012050205238420)等项目的资助。
图1 跨菌株诱导表达系统构建与应用示意图
图2 跨菌株诱导表达系统的设计框架
图3 在大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和谷氨酸棒状杆菌中对诱导表达系统进行重构与修饰
图4 aTc诱导表达系统在大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和谷氨酸芽孢杆菌的表征与改造
图5 DAPG-和aTc诱导表达系统在大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和谷氨酸棒状杆菌中的诱导表达曲线
图6 aTc诱导系统在大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和谷氨酸棒状杆菌中蛋白表达和生物合成基因簇调控中的应用
图7单输入基因回路的构建、表征和应用
