基因表达的精准控制是代谢工程和合成生物学的关键技术，对于在微生物细胞工厂中高效生产高价值化合物至关重要。链霉菌作为一种重要的革兰氏阳性细菌，因其能够产生多种具有生物活性的天然产物而在生物医药和农业等领域享有广泛应用。然而，由于链霉菌的基因表达调控机制复杂，长期以来可用的基因诱导表达系统有限，并且存在诸如背景表达过高、诱导剂的毒性和易降解性等挑战。为了解决这些问题，牛国清研究员的团队开发了两种新的链霉菌诱导表达系统：一种是纤维二糖激活的系统（ACS Synthetic Biology 2021），另一种是鼠李糖激活的系统（ACS Synthetic Biology 2024）。这些系统的引入改善了之前的高渗漏表达和诱导剂毒性问题，但仍然存在诱导剂作为碳源被利用以及诱导过程不可逆的问题。近日，牛国清研究员团队在链霉菌基因表达调控领域取得新进展，相关研究论文 “A tunable and reversible thermo-inducible bio-switch for streptomyces” 于国际知名学术期刊《Nucleic Acids Research》（《核酸研究》）正式发表。该研究成功构建了一种基于温度感应调控因子 RheA 的新型温度诱导基因表达调控系统（StrepT-switch），为链霉菌的基因工程改造及天然产物合成研究开辟了新路径。
牛国清研究员团队通过深入研究链霉菌对热休克反应的调控机制，并采用模块化设计策略，研究团队构建了两个高性能的热诱导基因表达模块TRS01和TRS02。这两个模块在小白链霉菌J1074菌株中显示出了优异的诱导性能，同时有效地减少了非特异性表达。特别是TRS02模块，它可以在生理温度范围内精确地控制目标基因的表达，并表现出明显的可逆性。
为了测试StrepT-switch的实际应用潜力，研究团队将其应用于CRISPR/Cas9介导的基因组编辑、抗生素合成路径的调控以及形态分化的控制。实验结果表明，StrepT-switch显著降低了Cas9核酸酶的潜在毒性，提高了基因编辑效率，实现了对抗生素合成基因的精细编程，并有效控制了委内瑞拉链霉菌的形态分化。此外，通过使用该系统来调节ZouA依赖的DNA扩增系统，还大幅提升了放线紫红素的产量。更重要的是，团队成功将这种热感应生物开关适应到大肠杆菌中，扩大了其应用范围。
这项工作不仅为合成生物学领域贡献了新的温度感应调控工具，丰富了链霉菌的基因表达调控手段，而且为促进链霉菌在生物医药和农业中的应用提供了理论基础和技术支持。
农学与生物科技学院博士研究生吕澜鑫以及硕士研究生刘硕和付宇蝶为共同第一作者，牛国清研究员为通讯作者，课题组其他同学参与了部分工作。西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心王翊教授和博士研究生孙家贺以及上海师范大学生命科学学院芦银华教授也参与了部分工作。该研究工作得到了国家重点研发计划重点专项“新型生物农药分子创制与产业化"和国家自然科学基金面上项目的资助。
原文链接：
https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkae1236/7929365?login=true
