近日，上科大物质科学与技术学院李健课题组成功构建出多株能够利用赤藓糖醇（erythritol）为唯一碳源生长的大肠杆菌，相关成果在线发表于国际知名学术期刊《先进科学》（Advanced Science）。
赤藓糖醇是一种天然的四碳（C4）糖醇，具有甜味，广泛存在于水果、蔬菜及发酵类食品中。因其物理化学性质稳定、价格便宜、生物安全性高，且不能被人体分解代谢吸收等特点，赤藓糖醇作为天然代糖被广泛运用于食品行业中（如做为无糖饮料中的代糖）。由于生物体缺乏能够分解赤藓糖醇的代谢通路，其进入人体或其他生物体后一般作为碳废物排出体外。为了利用赤藓糖醇这一对人体安全的代糖，李健课题组利用合成生物学技术，将从自然环境中筛选出来的赤藓糖醇代谢通路，在大肠杆菌中进行了重构，实现了大肠杆菌对赤藓糖醇作为唯一碳源的响应与利用。
研究人员首先从自然环境中分离出能够分解赤藓糖醇的代谢通路，然后将该通路（即五个酶蛋白eryA、eryB、eryC、eryH、eryI）引入模式大肠杆菌MG1655体内，使其能够在合成培养基中以赤藓糖醇为唯一碳源进行生长。通过转录组分析与代谢通路改造，研究人员进一步提升了该菌株代谢赤藓糖醇的能力，经连续培养后的菌群密度接近以葡萄糖为碳源时的菌群密度。此外，本研究还首次鉴定了响应赤藓糖醇的转录调控蛋白eryD及其DNA结合序列，并将此元件成功拓展运用到其他基因线路中，构建出多种可受赤藓糖醇调控的合成基因线路，显示其在合成生物学领域的应用前景。
研究人员展示了菌株的不同应用场景，如工程化的大肠杆菌菌株可被开发为赤藓糖醇活体检测器，用于检测市售饮料中是否含有代糖（即赤藓糖醇）成分。与传统仪器检测方法相比，该活体检测方法更快速、更直观、更便宜；将赤藓糖醇代谢通路构建至大肠杆菌Nissle 1917（一种对人体无害的肠道益生菌）体内后，该菌可在模拟肠液（其中补加赤藓糖醇为唯一碳源）中进行生长，这为开发以Nissle 1917为宿主的益生菌进行活体治疗提供了研究基础。
本工作利用“设计-构建-验证-学习”的合成生物学研究思路，首次实现了大肠杆菌利用C4化合物作为唯一碳源进行生长，填补了相关领域的研究空白。研究所鉴定的赤藓糖醇代谢通路及其转录调控因子，为合成生物学领域创建了新的标准化基因元件及基因线路，有望对合成生物学、代谢工程及活体治疗、食品工业以及碳循环利用等领域产生积极影响。
上海科技大学物质学院2021级博士研究生巴方为论文第一作者，助理教授李健为通讯作者，物质学院助理教授凌盛杰和助理教授刘一凡参与了相关工作，上海科技大学为唯一完成单位。
论文标题：Engineering Escherichia coli to utilize erythritol as sole carbon source
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207008
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