葡萄糖是工业微生物发酵过程中的主要碳源，其摄取速率直接决定胞内整体代谢通量。据麦姆斯咨询报道，中国科学院天津工业生物技术研究所张大伟研究员带领的蛋白表达系统与微生物代谢研究团队近日开发了实时动态监测大肠杆菌葡萄糖吸收速率的方法及其遗传回路，能够动态调节葡萄糖摄取速率及相关代谢途径的碳通量。
图1 用于监测葡萄糖摄取速率的生物传感器开发策略的示意图
在大肠杆菌摄取葡萄糖时，会经历一系列复杂的过程，包括跨膜转运、磷酸化、去磷酸化、辅助蛋白招募，以及相关因子的表达或抑制等。基于此调控机制，研究团队开发出了能够实时响应葡萄糖摄取速率的生物传感器（GURBs）（图1），并建立了对葡萄糖摄取速率和中央代谢流进行正负调节的遗传回路。
GURBs的性能和灵敏度在不同条件下得到了验证。在线荧光和离线葡萄糖检测技术表明，GURBs可以直接测量葡萄糖摄取速率。GURBs被应用于氨基酸，维生素，有机酸等产品合成（图2），通过调控中央代谢途径代谢流，或调控遗传回路的激活或抑制，有效的提高了其产量。这些结果表明，GURBs可以根据葡萄糖摄取速率动态调节葡萄糖摄取率，及中央代谢和相关途径的碳通量，从而提高目标产品产量。
图2 动态调控增强氨基酸、维生素、有机酸的生物合成效率
论文提出了一种基于代谢通量控制理论的新型生物工程策略，能够实现微生物细胞在高产特定产物的同时，提高生产效率。通过构建多种功能基因组改造的工程菌株，并使用代谢通量控制理论进行优化，成功实现了多种重要化学品的高效生产。研究人员还开发了高效的遗传工具和检测技术，为后续研究提供了有力的支持。
研究人员利用代谢通量控制理论设计了新的生物工程策略，能够有效地调节微生物细胞内的代谢途径，从而实现高产特定产物的目的。基于该策略，研究人员成功地构建了多种功能基因组改造的工程菌株，并进行了深入的代谢通量分析和优化。研究人员还开发了一系列高效的遗传工具和检测技术，包括荧光传感器、蛋白质纯化技术和代谢物分析技术等，为后续研究提供了强有力的支持。
该研究为微生物代谢工程领域提供了一个全新的思路和方法，具有重要的理论意义和实际应用价值。未来的研究可以进一步探索利用代谢通量控制理论来优化其他微生物代谢途径，以实现更多化学品的高效生产。同时，还可以结合人工智能和机器学习等新技术，进一步提升微生物代谢工程的效率和精度。
https://doi.org/10.1038/s44286-024-00163-w
延伸阅读：
《苹果在无创血糖监测领域的发明专利与产业布局分析》
《糖尿病管理技术及市场-2025版》
《基于拉曼光谱的血糖监测专利态势分析-2024版》
《雅培辅理善瞬感持续血糖监测传感器产品分析》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
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图2 动态调控增强氨基酸、维生素、有机酸的生物合成效率
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https://doi.org/10.1038/s44286-024-00163-w
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