基于硫化氢信号分子的动态调控基因回路在大肠杆菌中的设计和构建

Constitutive and artificially-inducing promoters have limited applications in metabolic pathway control and cell factory optimization. One solution is the autonomous-control-genetic circuits (ACGCs) that have the common “sensor-actuator” module. ACGCs are constructed by using the technologies of dynamic metabolic engineering. The ACGCs that can sense cellular growth are especially attractive. However, until now, only a few ACGCs of this type have been reported, and they have limited applications in metabolic engineering. H2S is a small molecular that can freely shuttle in and out cells, spread quickly in the culture. We have performed extensive research on the mechanism of how cells sense H2S, the relationship between cellular growth and H2S accumulation. Based on these studies, we propose a de novo design of a new kind of cellular growth sensing ACGCs based on H2S and its sensing circuits. We will apply molecular biology, engineering and mathematics technologies to construct them. Four modules will be constructed and modelling analyzed: the E. coli platform, the H2S signals converter, the sensor and the actuator. Finally, combination of the four modules will lead to an ACGC toolkit, which will have general applications in metabolic pathway control. This project will supply novel and significant tools for E.coli dynamic metabolic engineering study.

组成型和简单的人工诱导型启动子在代谢途径调控和细胞工厂优化上的作用有限，解决策略之一是利用动态控制代谢工程技术构建以“感应器-启动器”元件为核心的自动调控型基因回路。其中，菌体浓度感应型的基因回路尤其受到关注，但目前此类基因回路较少且缺乏广泛适用性。硫化氢（H2S）是一种可自由穿梭细胞的小分子，扩散性强。申请人前期对细菌H2S感应机理、H2S与菌体生长的关系进行了详细的研究，在此基础上，本项目创造性的提出了利用H2S及其感应元件在大肠杆菌中构建全新（de novo）的菌体生长感应型动态调控基因回路的设计。我们将综合运用分子生物学、工程学、数学相关技术，对构成该基因回路的四个模块：大肠杆菌平台、H2S信号转换器、感应器和启动器分别构建，并进行数学建模表征，最后组装得到多样化、系统性的动态调控基因回路工具库，可广泛适用于代谢途径的调控和优化，为大肠杆菌动态代谢工程研究提供了新型重要工具。

组成型和简单的人工诱导型启动子在途径调控和细胞工厂优化上的作用有限，解决策略之一是利用动态控制代谢工程技术构建以“感应器-启动器”元件为核心的自动调控型基因回路，其中，菌体生长感应型的基因回路尤其受到关注。而目前已报道的、基于细菌群体感应元件构建的此类基因回路由于灵敏性及可调节性差，限制了他们的进一步发展。H2S是可自由穿梭细胞的小分子，扩散性强。本项目创造性的提出了利用H2S及其感应元件在大肠杆菌中构建全新（de novo）的菌体生长感应型动态调控基因回路的设计。在研究过程中对构成此基因回路的四个模块：大肠杆菌平台、H2S信号转换器、感应器和启动器分别构建，然后组装得到多样化、系统性的动态调控基因回路库。最终我们构建得到了11个不同的模块，可组合成48个具有不同动力学特征的基因回路。此外，在本项目的资助下还研究开发了多个H2S信号转换化合物的检测方法，为基因回路库的下一步扩容提供了关键工具。本项目的研究成果对于代谢工程、合成生物学、环境微生物等领域都具有重要科学价值。