《Advanced Science》：可时序控制污染物检测、降解并随后自杀的智能合成细菌

近日，上海交通大学生命科学技术学院-微生物代谢国家重点实验室微生物分解代谢团队的唐鸿志教授团队在Wiley出版集团旗下期刊《Advanced Science》在线发表了题为“An Intelligent Synthetic Bacterium for Chronological Toxicant Detection, Biodegradation, and Its Subsequent Suicide”的研究论文（2023, 2304318: 1-11; https://doi.org/10.1002/advs.202304318），作者利用模块化的理念构建了一株人工合成智能细菌，在时序控制下不依赖外源诱导剂，完成水杨酸的检测、降解和菌株自毁。生命科学技术学院博士生刘欢和博士生张莉鸽为该论文的共同第一作者，唐鸿志教授为论文的通讯作者。

环境污染的生物治理集中在三个方面：污染物的检测、降解以及菌株的生物安全保障，合成生物学的出现为解决这一系列问题提供了新思路，一批功能模块、综合工具箱和系统被设计出来。然而，功能弱化和分散的模块由于需要复杂的控制条件从而阻碍了合成生物学应用于环境污染的治理。为了应对这一挑战，作者组装了一株三模块工程菌，它能够在6小时内检测水杨酸并输出一定量的荧光，随后在平台期早期开始将水杨酸降解为龙胆酸，最后在水杨酸耗尽时启动自杀回路。水杨酸，一种工业废水的典型污染物及多环芳烃降解的下游中心节点，被选作证明该设计的案例，所有任务被工程化菌株均在无外界干预的情况下按时间顺序完成（图1）。

作者首先分别设计了三个模块并利用不同的策略对其进行了优化（图2）。模块1：水杨酸的检测，不同强度的启动子-核糖体结合位点的交叉组合改变调控蛋白和报告蛋白的表达强度，使利用NahR构建的水杨酸传感器获得了2倍灵敏度和6倍最大输出的提升。模块2：平台期降解，多个平台期启动子被收集并表征其强度和转录起始时间，最终选择Pfic表达降解酶。模块3：自杀系统，不同机制的毒性蛋白被比较其致死效率，其中利用内含肽分裂蛋白质的概念，减弱了CcdB的毒性并结合分子动力学模拟证明了分裂位点选择的合理性，基于不同策略的“反转器”和“毒素-抗毒素”线路被设计使细胞在完成任务后自毁，最终基于CcdB-CcdA的“毒素-抗毒素”对被用于自杀系统。

图2 整合的工程菌株的设计框架

经过模块的逐步整合及针对退化的功能进行优化后，我们的整合菌株（Pfic-TAT(2)-P100-RBS35）可以在6小时内响应10–1,000 μM的水杨酸；在到达对数期后期时，平台期启动子开始转录nagAaGHAb以转化水杨酸为龙胆酸；最终水杨酸消耗殆尽，菌株激活自毁系统，生存率小于10-4（双模块菌株最高可达10-7）。此外，经过10代后，工程菌株功能的完整证明了该系统的长期稳定性。这项工作优化了每个单独模块，使其具有更强大的功能，同时利用逻辑门和时序控制元件对集成系统进行调节，解决了功能模块分散、效率低下的问题（图3）。

图3 三转菌株的污染物检测、降解和菌株自毁功能及稳定性测试

该研究工作受到了科技部国家重点研发计划（项目号2018YFA0901200和2021YFA0909500）、国家自然科学基金（项目号32030004）等项目的支持。