β-内酰胺类抗生素是种类最多、临床应用最广的一类抗生素。其中头孢菌素C（CPC）是代表性的丝状真菌次级代谢产物，也是合成7-氨基头孢烷酸（7-ACA）这一关键药物中间体的前体化合物。以代谢产物为导向的高通量筛选对于加快β-内酰胺类抗生素高产菌株的选育、优化β-内酰胺类化合物生物合成途径关键酶的性能至关重要。然而，现有针对β-内酰胺类化合物检测的方法普遍存在灵敏度低、动态范围不稳定、难以整合到高通量流程中等问题。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所高通量编辑与筛选平台实验室通过多轮定向进化和半理性设计，对控制细菌细胞壁代谢的转录调控因子AmpR进行改造，开发并优化了广谱型的β-内酰胺类化合物生物传感器，并将其与液滴微流控技术结合，应用于头孢菌素C生产菌株的高通量筛选中，为丝状真菌细胞工厂的改造提供了新思路。研究团队以大肠杆菌为底盘，敲除内源β-内酰胺酶基因ampC，构建了β-内酰胺敏感型菌株，并异源表达AmpR-GFP调控回路，获得高灵敏度的全细胞生物传感器。为提升传感器性能，结合流式筛选对转录因子开展多轮迭代定向进化和定点饱和突变，最终获得性能最优的双位点突变体AmpR^R86H/L199S。基于该突变体构建的传感器动态范围可达23.9倍，较原型传感器提升800%以上，且检测限显著降低，灵敏度大幅提升。结构分析结果表明，R86H/L199S突变呈现显著的协同作用，可提升AmpR多聚体结构稳定性，优化链间相互作用，从而加速转录因子的变构效应，增强生物传感器的荧光响应。

基于此，团队测试了优化的传感器变体对不同类型β-内酰胺类化合物的响应能力，发现该优化传感器可响应青霉素类、头孢菌素类、单环类等结构不同的各类抗生素分子，显示出优越的广谱性，在灵敏度、检测限与动态范围等性能指标上全面优于初始传感器，可作为一种通用型工具用于β-内酰胺类化合物的快速检测。此外，团队将优化的全细胞生物传感器与液滴微流控技术结合，以CPC和7-ACA为目标产物，分别构建了高效的化合物原位检测与高通量筛选流程，最终从顶头孢霉随机突变文库中筛选获得多个CPC高产突变株，展示了该方法在β-内酰胺类抗生素生产菌的快速选育和生物合成途径关键酶改造方面的应用前景。

该工作得到中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金及中国科学院青年创新促进会项目的支持，相关研究结果已在国际期刊Biosensors & Bioelectronics上发表。天津科技大学客座硕士研究生刘雪岩和天津工生所蛋白计算模拟与设计研究组工程师刘保艳为论文的共同第一作者，天津科技大学刘继锋教授、天津工生所王猛研究员和张玥副研究员为论文的共同通讯作者。

论文链接

AmpR全细胞生物传感器的构建及优化