代谢负荷（Metabolic burden）是限制工业微生物高效表达外源基因和高水平生物制造的重要瓶颈之一。合成途径或异源蛋白的过度表达往往会打破细胞内资源分配平衡，导致菌体生长受抑制、蛋白合成能力下降以及目标产物积累受限。然而，工业微生物如何感知并缓解代谢负荷，其分子机制仍缺乏系统认识，相关的实时监测与动态调控策略也十分有限。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所微生物生理和代谢工程研究组围绕模式工业菌株谷氨酸棒杆菌开展研究，构建了由代谢负荷响应启动子驱动的反馈调控系统，为缓解代谢负荷、提升细胞工厂性能提供了新思路。研究团队首先建立了一个基于基因组整合GFP报告模块的代谢负荷在线监测系统，可实时表征细胞资源承载能力变化，从而量化基因表达扰动和环境扰动所引发的代谢负荷。研究发现，当细胞受到外源基因表达或环境压力刺激时，GFP比生产速率会快速下降，且这一变化早于生长缺陷的出现，表明该体系可用于代谢负荷的早期识别。随后，研究团队通过RNA-seq系统解析了不同负荷条件下谷氨酸棒杆菌的共同转录响应特征，发现蛋白质稳态维持、氧化应激防御及资源重分配相关通路被普遍激活。在此基础上，团队挖掘出一批早期负荷响应启动子，其中cg1940启动子表现出尤为显著和稳定的响应特性。研究还表明，该启动子不仅在谷氨酸棒杆菌中能够可靠感知代谢负荷，在大肠杆菌中同样保留了负荷响应能力，显示出一定的跨物种应用潜力。基于上述发现，研究团队进一步构建了由代谢负荷响应启动子驱动的CRISPRi-dCas9反馈调控系统。当细胞因外源表达而产生代谢负荷时，该系统可自动激活调控模块，动态下调高负荷表达元件，从而在宿主生长与目标表达之间实现平衡。

作为概念验证，研究团队将该反馈调控系统应用于多种生物制造场景中，包括重组蛋白表达和代谢工程过程优化，能够有效缓解异源蛋白表达及复杂工程模块带来的生长压力，提高菌体生长、蛋白合成能力以及生物制造性能。该研究首次在谷氨酸棒杆菌中系统揭示了代谢负荷感知与响应的部分机制，并建立了可用于动态调控的启动子驱动反馈控制框架，为提升工业微生物细胞工厂的稳健性和生产性能提供了新的理论基础和技术支撑。

该研究工作得到了天津市自然科学基金重点项目、中国科学院青年创新促进会等项目支持，相关成果已发表于国际学术期刊Trends in Biotechnology。中国科学院大学博士研究生张洪宇为论文第一作者，天津工生所徐宁副研究员、刘君研究员和瑞典查尔姆斯理工大学毛吉魏博士为论文的共同通讯作者。

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谷氨酸棒杆菌代谢负荷控制系统的设计与应用