筛选含有重组质粒的大肠杆菌：上科大构建可代谢四碳糖醇的大肠杆菌

近日，“世界卫生组织报告称阿斯巴甜可能致癌”的话题一度登上热搜，引发了公众对代糖甜味剂的关注和讨论。

如今，全球性肥胖的流行，以及糖尿病、高血压等疾病发病人数的逐渐上升，让人们越来越注重发展健康的生活习惯。比如，通过使用糖醇等代糖甜味剂生产食品，来限制碳水化合物的过量摄入，以保持科学的饮食方式。

除阿斯巴甜以外，赤藓糖醇也是一种广泛应用于食品工业的代糖甜味剂。不过，与通过人工合成法生产的前者不同，赤藓糖醇是一种天然、稳定和安全的四碳糖醇，存在于蔬菜、水果、蘑菇中，主要通过工程乳酸菌和酵母发酵进行生产。

由于人体自身无法分解代谢赤藓糖醇，人类肠道的微生物群也缺乏能够代谢赤藓糖醇的途径，因此其通常被小肠吸收，并在 24 小时内通过尿液排出。但不能被人体用作能量来源的赤藓糖醇，从本质上来说属于一种碳废物。

“故此，我们想尝试通过合成生物学的方法构建一种微生物，使其能够更好地利用赤藓糖醇这种不能被大多数生物体分解代谢的碳源。”上海科技大学李健教授表示。

近期，他带领团队把赤藓糖醇配制到化学合成的培养基中，并通过基因分析、遗传学鉴定等方法，从自然环境中筛选出能够代谢赤藓糖醇的微生物，并从该微生物的基因组上鉴定了相关代谢通路。

图丨团队合照（来源：李健）

“赤藓糖醇本身就相当于一个开关，能够触发整个代谢通路的表达。我们不仅发现了代谢通路上的调控因子，还精准鉴定出含有 29 个核苷酸的 DNA 序列，以及其和调控蛋白之间的相互作用。”李健说。

该团队将赤藓糖醇的代谢通路构建至模式大肠杆菌 MG1655 中，使其可以将赤藓糖醇作为唯一碳营养素。他们先表征了赤藓糖醇响应的遗传阻遏物 eryD，以及其 DNA 结合位点，接着进行 mRNA 转录组分析，来进一步评估赤藓糖醇在 MG1655 中的代谢能力。

图丨在大肠杆菌中重建赤藓糖醇代谢通路，以支持把赤藓糖醇作为唯一碳源细胞生长（来源：Advanced Science）

同时，他们也发现大肠杆菌菌株可以在纯的赤藓糖醇培养基中生长，这说明大肠杆菌的天然转运系统可以用于转运赤藓糖醇。为了找出其中潜在的转运体，他们构建了 41 个敲除菌株，发现 6 个对细胞生长具有正向影响的转运体。

在研究过程中，该团队通过几个应用进行了验证。比如，他们利用所构建的大肠杆菌菌株，制备了一个活体赤藓糖醇检测器，以识别市售苏打饮料中是否含有赤藓糖醇。

同时，他们还将另一种大肠杆菌菌株 Nissle 1917，通过赤藓糖醇的代谢途径进行了重新编程，促进其在以赤藓糖醇作为补充碳源的模拟肠液中生长。据了解，该应用有望推动人类肠道微生物相关疾病，甚至肿瘤等局灶性组织的治疗。

此外，值得一提的是，最近有关拓宽大肠杆菌利用不同碳源范围的研究颇受关注。此前，该领域的研究人员曾利用一氧化碳、二氧化碳、甲醇等一碳化合物，开展过大肠杆菌的改造研究，而该研究则填补了利用四碳赤藓糖醇的碳源改造大肠杆菌的空白。

“目前，赤藓糖醇的代谢通路已经能够成功引入大肠杆菌这种原核生物，那么其是不是也能在真核生物甚至哺乳动物细胞中获得应用，是我们未来计划探明的问题。如果可以，我认为未来该成果将拥有更为广泛的应用前景，有可能为代谢工程及合成生物学领域提供新的研究范式，以及为相关领域的研究人员提供一些研究灵感。”李健表示。

2023 年 3 月 20 日，相关论文以《利用赤藓糖醇作为唯一碳源的工程大肠杆菌》（Engineering Escherichia coli to Utilize Erythritol as Sole Carbon Source）为题在 Advanced Science 上发表[1]。

图丨相关论文（来源：Advanced Science）

上海科技大学博士研究生巴方为该论文的第一作者，上海科技大学李健教授担任论文的通讯作者。

李健表示，目前他们正在基于该成果，开展代谢工程方面的后续研究，比如合成一些具有高附加值的化合物。另外，他们还计划利用赤藓糖醇，开发合成生物学领域所需的相关生物调控元件，并进行进一步的优化，包括改造结合蛋白与结合位点之间相互作用的能力和强度等。

参考资料：

1. F., Ba, X., Ji, S., Huang. et al. Engineering Escherichia coli to Utilize Erythritol as Sole Carbon Source. Advanced Science 10, 14 （2023）. https://doi.org/10.1002/advs.202207008