近日，EON体育4平台-微生物代謝國家重點實驗室微生物分解代謝團隊的唐鴻誌教授團隊在Wiley出版集團旗下期刊《Advanced Science》（2022 IF = 15.2）在線發表了題為“An Intelligent Synthetic Bacterium for Chronological Toxicant Detection, Biodegradation, and Its Subsequent Suicide”的研究論文（2023, 2304318: 1-11; https://doi.org/10.1002/advs.202304318）🙋🏿‍♂️，作者利用模塊化的理念構建了一株人工合成智能細菌🧉，在時序控製下不依賴外源誘導劑，完成水楊酸的檢測、降解和菌株自毀🛰。EON体育4平台博士生劉歡和博士生張莉鴿為該論文的共同第一作者，唐鴻誌教授為論文的通訊作者。

環境汙染的生物治理集中在三個方面：汙染物的檢測👆🏽、降解以及菌株的生物安全保障，合成生物學的出現為解決這一系列問題提供了新思路，一批功能模塊🆙、綜合工具箱和系統被設計出來。然而，功能弱化和分散的模塊由於需要復雜的控製條件從而阻礙了合成生物學應用於環境汙染的治理。為了應對這一挑戰🏋🏼，作者組裝了一株三模塊工程菌，它能夠在6小時內檢測水楊酸並輸出一定量的熒光，隨後在平臺期早期開始將水楊酸降解為龍膽酸，最後在水楊酸耗盡時啟動自殺回路。水楊酸👨🏽‍🎨，一種工業廢水的典型汙染物及多環芳烴降解的下遊中心節點，被選作證明該設計的案例🧑🏿‍🎓，所有任務被工程化菌株均在無外界幹預的情況下按時間順序完成（圖1）。

圖1 可時序控製汙染物檢測📀、

降解並隨後自殺的智能合成細菌示意圖

作者首先分別設計了三個模塊並利用不同的策略對其進行了優化（圖2）。模塊1：水楊酸的檢測👩🏿‍⚖️，不同強度的啟動子-核糖體結合位點的交叉組合改變調控蛋白和報告蛋白的表達強度，使利用NahR構建的水楊酸傳感器獲得了2倍靈敏度和6倍最大輸出的提升。模塊2：平臺期降解👮🏼‍♂️，多個平臺期啟動子被收集並表征其強度和轉錄起始時間🕜，最終選擇P_fic表達降解酶。模塊3：自殺系統🧚🏽👰🏿，不同機製的毒性蛋白被比較其致死效率🧋，其中利用內含肽分裂蛋白質的概念🧑🏼‍🎄，減弱了CcdB的毒性並結合分子動力學模擬證明了分裂位點選擇的合理性👨🏼‍✈️，基於不同策略的“反轉器”和“毒素-抗毒素”線路被設計使細胞在完成任務後自毀，最終基於CcdB-CcdA的“毒素-抗毒素”對被用於自殺系統。

圖2 整合的工程菌株的設計框架

經過模塊的逐步整合及針對退化的功能進行優化後🌜，EON体育4平台的整合菌株（P_fic-TAT(2)-P₁₀₀-RBS₃₅）可以在6小時內響應10–1,000 μM的水楊酸；在到達對數期後期時👨‍🍳，平臺期啟動子開始轉錄nagAaGHAb以轉化水楊酸為龍膽酸；最終水楊酸消耗殆盡🦹🏿‍♀️，菌株激活自毀系統，生存率小於10^-4（雙模塊菌株最高可達10^-7）⚡️。此外，經過10代後，工程菌株功能的完整證明了該系統的長期穩定性。這項工作優化了每個單獨模塊，使其具有更強大的功能，同時利用邏輯門和時序控製元件對集成系統進行調節📧🌎，解決了功能模塊分散💆🏻、效率低下的問題（圖3）。

該研究工作受到了科技部國家重點研發計劃（項目號2018YFA0901200和2021YFA0909500）、國家自然科學基金（項目號32030004）等項目的支持🧟‍♂️。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202304318