一种细菌高效生产“生物燃料原料”的秘密被揭开

合成生物学能生成大量组合设计，但缺乏匹配的高通量分析方法来筛选这些设计。本研究针对这一挑战，以异戊烯醇（一种潜在航空燃料前体）为目标，在恶臭假单胞菌中开发了生物传感器驱动的生长偶联选择策略。研究发现并表征了一条非经典信号通路，揭示了杂合组氨酸激酶与醇脱氢酶之间形成的功能和物理复合物，其活性可通过异源二聚化调节。

利用该生物传感器结合CRISPRi文库筛选，研究团队识别出宿主菌的关键限制因素。基于这些发现进行迭代组合菌株工程，最终使异戊烯醇产量提升36倍，达到约900毫克/升。整合组学分析显示，代谢重编程向氨基酸分解代谢方向转变是产量提升的关键，这一发现也得到了技术经济分析的支持。

研究背景中提到，微生物来源的燃料在能源安全、减少工业化环境足迹和推动生物制造创新方面具有战略意义。但醇类生物燃料的开发面临诸多挑战，如检测困难（无色、易挥发，依赖气相色谱等低通量方法）和对宿主菌的抑制作用。恶臭假单胞菌原本因能分解异戊烯醇而不被视为生产 chassis，但研究团队将这种分解能力转化为优势，基于其自然代谢通路重构了异戊烯醇响应的信号级联，以检测胞内异戊烯醇水平。

生物传感器的开发过程中，通过功能基因组学数据分析（RB-TnSeq）和共适应分析，识别出yiaZ（杂合组氨酸激酶）、yiaY（醇脱氢酶）和PP_2665（响应调节因子）等核心组件。优化核糖体结合位点（RBS）后，生物传感器对异戊烯醇的响应提升至20倍，并通过AlphaFold预测和实验证实YiaZ与YiaY形成物理复合物，YiaY的催化活性对信号传导至关重要。此外，PP_2664作为抑制性调节因子，通过与YiaZ形成异源二聚体降低信号活性，敲除PP_2664可改善传感器性能。

为实现高通量筛选，研究将生物传感器与生长偶联：用异戊烯醇诱导的pedF启动子控制必需基因pyrF的表达，使高产异戊烯醇的菌株能在特定培养基上生长。结合CRISPRi文库筛选，识别出鞭毛合成（fleQ）、氨基酸代谢等关键限制基因。通过迭代组合这些靶点的敲除和过表达（如过表达全局调控因子PP_1697、优化mvaS酶），逐步提升产量。

组学分析表明，高产菌株中异戊烯醇通路蛋白丰度未显著增加，而是通过氨基酸分解代谢（如苯丙氨酸、亮氨酸）提供碳源和氮源，缓解代谢瓶颈。技术经济分析显示，利用氨基酸代谢的重编程在生物制造中具有经济可行性。

该模块化工作流程为优化复杂异源通路和揭示宿主生物学新机制提供了有力策略。