大腸桿菌在生物基化學品和酶蛋白生產中應用廣泛。乳糖操縱子系統(tǒng)是大腸桿菌中調控基因表達的組成部分，其中阻遏蛋白LacI通過結合操縱序列來抑制基因的轉錄。誘導劑IPTG通過與LacI結合，解除其抑制作用，從而調控基因表達。IPTG對菌體生長有一定的抑制作用，但價格較昂貴，誘導不可逆。近日，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所張燕飛團隊開發(fā)了兩種新型光控大腸桿菌基因表達系統(tǒng)，使用光照或黑暗代替IPTG，實現了安全、無毒、易操控地進行蛋白質生產與代謝通量調控。該團隊以乳糖操縱阻遏蛋白LacI為研究對象，通過理性設計與光控蛋白質工程化改造，引入藍光響應元件AsLOV2結構域，構建了兩種響應藍光/黑暗的阻遏蛋白突變體OptoLacIL和OptoLacID。該團隊基于OptoLacI，構建了分別響應藍光或黑暗的光控大腸桿菌基因表達系統(tǒng)——OptoE.coliLight系統(tǒng)和OptoE.coliDark系統(tǒng)。與IPTG誘導系統(tǒng)相比，兩個系統(tǒng)使用光照或黑暗作為誘導條件，實現對基因表達的誘導與控制。光/暗調控基因表達系統(tǒng)不使用化學誘導劑，可以分別實現光照誘導表達與黑暗誘導表達，其誘導效果與IPTG相當，且安全、無毒、易操控。該團隊將OptoE.coliDark系統(tǒng)應用于蛋白質生產和細胞工廠代謝途徑的調控，實現了葡萄糖脫氫酶、甲醛合酶、堿性蛋白酶、綠色熒光蛋白等多種酶蛋白的高效表達。在代謝通量控制方面，黑暗誘導生產1,3-丙二醇和麥角硫因的滴度分別超過IPTG誘導的110%和60%。該光/暗表達系統(tǒng)以光控阻遏蛋白OptoLacI為核心元件且組分簡單，在大腸桿菌中表現出色，具有良好的系統(tǒng)遷移性，可適用于除大腸桿菌以外的其他細菌和真核細胞，為更廣泛的光/暗調控基因表達的應用提供了新工具。相關研究成果發(fā)表在《核酸研究》（Nucleic Acids Research）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和天津市合成生物技術創(chuàng)新能力提升行動專項的支持。論文鏈接