【前沿速遞】天木設備助力山東大學構建“通用傳感器平臺"，成功篩選產(chǎn)11.5 g/L 1,3-丙二醇高產(chǎn)菌株
導語
在合成生物學領域，生物傳感器如同細胞的“眼睛"，能夠感知體內代謝物的濃度變化，并將其轉化為可觀測的熒光信號。有了它，科學家就能“看"到哪個細胞產(chǎn)出的目標產(chǎn)物更多，從而高效篩選出“優(yōu)等生菌株"。
然而，一個天然的生物傳感器通常只“認識"它天然的配體（比如1,2-丙二醇），對于結構類似但更重要的工業(yè)化學品卻“視而不見"。如何將一雙“專一的眼睛"改造為“通用的眼睛"，是代謝工程領域的重大挑戰(zhàn)。
近日，國際期刊 《Biosensors and Bioelectronics》 發(fā)表了山東大學祁慶生/王倩教授團隊的重磅研究成果。研究團隊成功“重編程"了一種天然轉錄因子PocR，使其能夠精準響應非天然配體1,3-丙二醇（1,3-PDO） ，并最終利用這套系統(tǒng)，結合天木生物的核心設備，成功篩選出一株1,3-丙二醇產(chǎn)量高達11.5 g/L的高產(chǎn)菌株，是原始菌株產(chǎn)量的兩倍。
一、研究背景與難點
1,3-丙二醇是重要的平臺化學品，但自然界缺乏能特異性響應它的生物傳感器。核心難點在于：如何讓一個只識別1,2-丙二醇的蛋白，學會識別結構不同的新分子，同時保持低背景和高動態(tài)范圍。
二、研究內容：四步實現(xiàn)蛋白重編程
1. 搭建原型機
將肺炎克雷伯菌的PocR蛋白（天然感應1,2-丙二醇）在大腸桿菌中重構，構建了基于sfGFP的熒光報告系統(tǒng)。
2. 發(fā)現(xiàn)關鍵突變D152N
通過易錯PCR和雙篩選平臺，獲得能感應1,3-丙二醇的初代突變體P1-1。關鍵突變D152N位于蛋白二聚體界面，將配體結合口袋體積從173 ?3擴大到316 ?3，為容納更長鏈底物創(chuàng)造了空間。
圖：野生型與突變型PocR結構間氫鍵網(wǎng)絡的比較。
3. 進化出傳感器
以P1-1為模板進行第二輪進化，獲得能特異性響應的突變體P2-1和P2-2。只有在P1-1基礎上進化才能獲得此能力，說明構象預適應性至關重要。
4. 半理性設計提升動態(tài)范圍
通過分子動力學模擬和飽和突變，獲得Q107E/D152N雙突變體，動態(tài)范圍提升至3.9倍。
三、驗證：液滴微流控篩選高產(chǎn)菌株
研究團隊將優(yōu)化后的傳感器與高通量微流控平臺結合。讓肺炎克雷伯菌（生產(chǎn)者）與攜帶傳感器的大腸桿菌（檢測者）在同一個微液滴中共培養(yǎng)——生產(chǎn)者分泌的1,3-丙二醇激活大腸桿菌發(fā)出熒光，熒光越亮意味著產(chǎn)量越高。
通過天木生物高通量皮升級液滴單細胞分選系統(tǒng)DREM cell，團隊以每秒約2000個液滴的速度，高效分選了160萬個微液滴，成功獲得一株產(chǎn)量達11.5 g/L的高產(chǎn)菌株，是野生型的兩倍。
圖：篩選出的高產(chǎn)菌株在搖瓶發(fā)酵中的產(chǎn)量，最高達11.5 g/L，是野生型的兩倍
四、天木生物設備的突出貢獻
本研究成功落地，離不開天木生物核心設備的重要支撐：
1. 核心設備提供者：DREM Cell微流控系統(tǒng)及微流控芯片均由天木生物提供，是實現(xiàn)160萬微液滴高通量分選的基石。
2. 技術方案實現(xiàn)者：該平臺以2000液滴/秒的分選速度和穩(wěn)定的微滴生成技術，將蛋白工程改造后的傳感信號轉化為精準篩選過程。
3. 全面技術支持：天木生物在實驗過程中提供關鍵技術指導，體現(xiàn)了服務能力。
五、結論與展望
本研究建立了“蛋白定向進化 + 高通量微流控篩選"的閉環(huán)技術體系，成功開發(fā)了兩種重要化學品的生物傳感器，并指導菌株工程化改造獲得產(chǎn)量翻倍。該平臺為未來開發(fā)針對多種目標化合物的傳感器提供了通用范式。
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