本报讯 上海科技大学物质科学与技术学院教授李健团队近日宣布，团队构建出多株以赤藓糖醇为唯一碳源生长的大肠杆菌，有望对合成生物学、代谢工程及活体治疗、食品工业及碳循环利用等领域产生积极影响。
“研究这个问题的初衷是减碳。”李健表示，葡萄糖、果糖等糖类被人体摄入后，一部分进入肠道被大肠杆菌等菌群吸收、分解、代谢，用以维持肠道菌群生长。但生物体及其体内菌群普遍缺乏能分解赤藓糖醇的代谢通路，导致这种四碳糖进入人体或动物体内，会像“过客”一样，怎么进去就怎么出来，并最终作为一种“碳废物”，以“碳源”的形式排出体外。
相对于其他人工合成的代糖类产品，赤藓糖醇的生物安全性更高。目前，饮料、食品已经逐步开始将赤藓糖醇作为代糖使用。“虽然大肠杆菌无法代谢赤藓糖醇，但它能代谢葡萄糖或其他糖类。同时，自然界也存在少数能代谢赤藓糖醇的微生物，我们想把这类微生物中代谢赤藓糖醇的相关基因簇（一起编码的多个基因）分离出来，用它改造大肠杆菌。让这些基因簇编码的酶蛋白各司其职，逐步将赤藓糖醇分解代谢掉。”研究人员表示。
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为此，研究团队首先从自然环境中筛选出能够利用赤藓糖醇的微生物，鉴定了赤藓糖醇代谢通路，然后将该通路引入模式大肠杆菌细胞内，使其在合成培养基中以赤藓糖醇为唯一碳源进行生长。此后，通过转录组分析与代谢工程改造，研究人员进一步提升了该株大肠杆菌代谢赤藓糖醇的能力，经连续培养后的菌群密度接近以葡萄糖为碳源的菌群密度。
实验中，研究人员选取两株大肠杆菌为出发菌株。经过改造，这些大肠杆菌可以把赤藓糖醇作为能源物质转运到细胞内分解，并进入其他代谢网络以维持细胞生长。在实验室的合成培养基中，这些大肠杆菌能以赤藓糖醇为唯一碳源进行生长。进一步研究中，团队发现该代谢通路里有一个起着调控作用的基因元件，能实现大肠杆菌对作为唯一碳源的赤藓糖醇的响应与利用。“也就是说，只有在这种碳源（赤藓糖醇）存在的情况下，这种特殊的大肠杆菌才能响应。”李健说，“当赤藓糖醇进入菌体后，就能启动下游编码蛋白的表达。这就相当于有了一种基因表达调控手段，可以用它构建各种基因调控单元，像开关一样控制另一种活性蛋白的表达。”
有关专家表示，该研究非常具有创新性，为大肠杆菌代谢赤藓糖醇铺平了道路，对扩展大肠杆菌利用碳源范围具有重要意义。通过改造大肠杆菌利用四碳糖的思路填补了六碳（如葡萄糖）和一碳（如二氧化碳）间碳源谱的空白，扩展了碳源利用范围。同时，该研究成果能起到独特的调控作用，可以利用大肠杆菌做更多事情。
李健介绍说，工程化的大肠杆菌菌株可被开发为赤藓糖醇活体检测器，用于检测市售饮料中是否含有代糖（赤藓糖醇）成分。与传统仪器检测方法相比，该活体检测方法更快速、更直观、更便宜。
该团队将赤藓糖醇代谢通路构建至大肠杆菌Nissle 1917体内后，该菌可在模拟肠液（其中补加赤藓糖醇为唯一碳源）中生长，这为开发以其为宿主的益生菌进行活体治疗奠定了研究基础。更关键的是，目前合成生物学或微生物代谢领域常用的小分子“开关”可能对人体造成伤害。这些小分子在培养瓶中实验没问题，但用于人体却有很多安全局限。与之相比，赤藓糖醇和该株大肠杆菌的安全性高，一般不会对人体造成伤害。
（张双虎）
《中国食品报》(2023年05月08日06版)
（责编：杨晓晶）
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