近日，我校未来食品科学中心和生物工程学院陈坚院士团队刘松副教授课题组在枯草芽孢杆菌蛋白质表达调控方面取得重要进展，研究成果“Autoinduction AND Gate inhibits cell lysis to enhance protein production inBacillus subtiliscontrolled by population density and cell physiological state”正式发表于ACS Synthetic Biology(IF=5.249) (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.2c00624)。
枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)因其高效的蛋白分泌能力和安全性被广泛用于食品酶的发酵生产。为减少内源蛋白酶对目标蛋白降解，研究者构建了不同的蛋白酶缺失菌株，如B. subtilisWB600（B. subtilis168缺失6种蛋白酶）。然而，蛋白酶基因缺失菌株在发酵后期更易于裂解，导致产酶水平下降、发酵液粘稠影响下游纯化等问题。通过敲除细胞裂解相关基因（如，自溶素LytC和LytD）可有效抑制B. subtilis细胞后期裂解，但会影响细胞形态和分化，同样不利于产蛋白高效合成。
为解决上述问题，本团队开发了一种基于自诱导“与”逻辑门的细胞裂解动态调控策略，有效抑制了B. subtilis的后期裂解，显著提升了普鲁兰酶的表达水平。首先，构建了木糖诱导型蛋白质降解系统（IPDS），调控自溶素LytC和LytD的抑制时间，并考察抑制细胞裂解对生物量、细胞形态和蛋白质合成的影响（以普鲁兰酶为报告蛋白）。结果显示，过早抑制细胞裂解会导致细胞壁膜增厚并影响蛋白分泌，而过晚抑制细胞裂解则会导致生物量降低，在发酵20h抑制细胞裂解胞外蛋白量最高。其次，将群体感应系统LuxIR与IPDS整合，构建了自诱导蛋白降解系统（AIPDS），并通对启动子和RBS优化使AIPDS能在发酵20h自动抑制细胞裂解。最后，基于“与”逻辑门构建了双信号输入的自诱导蛋白降解系统（DSI-AIPDS），分别由群体感应和时期依赖型启动子控制；当发酵20h后，在成熟细胞个体中的自溶素LytC和LytD被抑制，而新生细胞中的相关基因则不被抑制。基于DSI-AIPDS动态调控细胞裂解，B. subtilis的细胞生长和普鲁兰酶活性分别较出发菌株高51%和115%。上述结果表明，基于DSI-AIPDS的细胞裂解动态调控策略将为酶或蛋白质在B. subtilis中的高效合成提供参考。
图形摘要
刘松副教授为论文的通讯作者，我校2017级博士生徐奎栋（已毕业）为第一作者。上述研究工作得到了国家重点研发项目（2019YFA0706900）和国家自然科学基金（32071474）的资助。
近年来刘松副教授课题组围绕食品级宿主的开发与食品酶性能优化方面开展了系列研究，相关研究成果发表在Journal of Agricultural and Food Chemistry（2023，2022a，2022b，2021a, 2021b）、ACS Synthetic Biology（2023，2022，2021a，2021b，2021c）、Bioresource Technology（2023，2022）和Biotechnology Advances（2020）等本领域权威期刊。
