工业菌种是生物制造的核心竞争力。一个重要的挑战是如何深入认识微生物底盘，并发现与目标产品生产相关的高效功能元件。谷氨酸棒杆菌是氨基酸工业生产的主力菌，每年用于生产超600万吨氨基酸。然而，谷氨酸棒杆菌基因组还有约50%的基因功能未知，功能元件的系统挖掘是亟待突破的瓶颈。
近日，中国科学院天津工业生物技术研究所郑平研究员带领的系统与合成生物技术研究团队和王猛研究员带领的高通量编辑与筛选平台实验室合作，实现了谷氨酸棒杆菌全基因组规模单基因过表达库的自动化构建及高通量筛选，鉴定了多个影响渗透压耐受性和氨基酸产量的新型功能元件（如图）。
全基因组规模筛选谷氨酸棒杆菌新功能元件示意图
研究团队利用研究所生物铸造厂（BioFoundry ）构建了覆盖谷氨酸棒杆菌全基因组99.7%的单基因过表达库（包含3049个菌株），并建立资源共享网站。
网址：https://imrc.biodesign.ac.cn
通过全自动、实时生长曲线测定建立了新型功能元件的高通量筛选方法，全文库筛选获得15个提高渗透压耐受和L-赖氨酸产量的新元件，包括新型转录调控因子和DNA修复蛋白，揭示了渗透压耐受新机制；对近400个膜转运蛋白子库筛选获得在谷氨酸棒杆菌和大肠杆菌中均高效、特异的新型L-苏氨酸外排蛋白。将新型外排蛋白应用于L-苏氨酸生产菌株改造，实现了目前报道最高水平的谷氨酸棒杆菌L-苏氨酸生产（75.1 g/L和1.5 g/L·h）。
该工作是生物铸造厂的重要应用场景之一，提供了一种新型功能元件筛选的系统策略，该策略可以快速扩展应用至其它工业微生物，将大力推动高水平工业菌种的创制。所构建的全基因组规模菌种库将成为基础生物学研究和开发氨基酸等工业菌种的宝贵资源。
该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、天津市合成生物技术创新能力提升行动和中国科学院青年创新促进会项目的支持，相关成果近日发表在国际学术期刊Trends in Biotechnology。天津工业生物所高级工程师刘娇、博士生赵晓佳和助理研究员程海娇为论文的共同第一作者，王钰研究员、郑平研究员和王猛研究员为论文的共同通讯作者。
