合成生物学的快速发展使得微生物能够合成更复杂的天然产物，加速了代谢工程向更复杂的化合品合成和有限自然资源的可持续供应。天然产物的异源生物合成途径可能会给微生物细胞生长带来巨大的压力，例如细胞不耐受的中间体的积累、营养源的竞争和代谢能量的降低。利用动态调节电路精确解偶联细胞生长和产物生物合成来缓解细胞生长和代谢生产之间的代谢通量压力已成为经济生产目标产品的有效策略之一。基于动态控制系统两个要素：感知环境变化的传感器和对传感器做出响应的效应器。工程化细胞工厂的动态控制策略被开发用于天然产物生物合成，每一种动态控制均依赖于不同的信号输入，不同的感知模块。然而这些动态控制的基因回路在不同菌株和条件下的功能仍需进一步确认，并且不同天然产物的异源合成对于动态控制的性能要求也不尽相同。因此，在合成生物学中，仍需要开发具有普适性且稳定的可自定义的动态控制模块。

近日，袁吉锋教授团队在Cell Reports Methods上发表题为“Reshaping the yeast galactose regulon via GPCR signaling cascade”的研究论文，这项研究利用G蛋白偶联受体（GPCR）信号通路来重塑酵母半乳糖调节子（图1），展示了合成生物学在创建用户定义的代谢控制方面的巨大潜力。

图1 利用G蛋白偶联受体（GPCR）信号通路来重塑酵母半乳糖调节子示意图

首先，研究人员将半乳糖调节 (GAL) 系统通过合成转录因子与交配信息素的 GPCR 信号通路耦合，该转录因子基于Ste12的信息素响应结构域(PRD)和Gal4的DNA结合结构域 (DBD) 的杂交体。合成转录因子的构建使GPCR剂量反应不再复杂，因此通过进一步调节GPCR信号级联的关键组成部分，重新构建了GAL系统对 α 因子的动态范围、灵敏度和响应时间，这表明该遗传回路的信号输出谱可以通过调整GPCR信号级联中的关键成分来改变。

研究人员进一步巧妙地将α因子作为辅助信使实现了酵母细胞对不同细胞代谢状态的信号感知与记忆，获得具有自我分泌α因子的工程酵母来实现群体感应行为。在低细胞密度下，碳源葡萄糖浓度高，自我分泌α因子的合成被抑制，下游基因的表达被严格关闭；在高细胞密度下，葡萄糖耗尽，自我分泌α因子开始合成，下游基因的表达迅速被激活。进一步研究发现，GPCR途径和遗传电路介导的合成转录因子的可逆磷酸化实现了传代培养时保持低细胞密度“静默”状态。而将α因子作为记忆信号分子也解决了在连续供给葡萄糖期间生物生产过程的周期性抑制。为了针对特定应用获得更动态的表达谱，研究人员也通过调节GPCR途径关键GTP酶激活蛋白Sst2来进一步调整群体感应行为，Sst2敲除或过表达后，工程菌株与亲本相比表现出不同的信号记忆效应和最大响应信号。因此，研究人员认为Sst2作为参与GPCR介导的信号级联并调节遗传电路的有趣组件，未来对Sst2水平的微调有望获得更加多样化的群体感应特征。

此外，为了进一步扩大遗传电路在未来代谢工程应用中的效用，研究人员还尝试设计GPCR介导的遗传电路，使其对热休克的物理刺激做出反应。利用热休克相关基因的启动子，通过热刺激控制α因子的表达。在热激后，工程菌株信号输出表达明显升高。在热休克感知菌株中，由于α因子积累的固有记忆性，热休克的脉冲以α因子积累的形式记录下来，以给出持久的信号输出。

总之，这项研究成功地利用 GPCR 信号级联来重塑具有不同表达谱的酵母半乳糖调节子，展示了合成生物学在创建用户定义的代谢控制方面的巨大潜力。可塑遗传装置可能为未来的代谢工程和生物传感器应用带来巨大的希望。鉴于GPCR在自然界中广泛分布，该遗传电路的可塑性将提供各种用户定义的表达谱，这对合成生物学和代谢工程界具有重要意义.

厦门大学细胞应激生物学重点实验室袁吉锋教授为该论文的通讯作者，在读博士生范聪为第一作者。该研究得到国家自然科学基金(32270087 )等的资助。

全文链接：https://www.cell.com/cell-reports-methods/fulltext/S2667-2375(23)00318-1