合成生物學以傳統生物學獲得的知識與材料為基礎，利用系統生物學手段對其進行定量解析，在工程學以及計算機輔助指導下設計新的生物系統或深度改造原有生物系統。基於這一理念，以微生物為細胞工廠、重構生化合成網絡或組裝人工代謝途徑，可實現重要化學品的生物合成，如青蒿素、鴉片等。但在實踐上尚有以下問題亟待解決：（1）過量表達的異源蛋白造成宿主菌胞內資源浪費，帶來生長負擔；（2）重構的代謝途徑對輔酶和能量需求，或導致宿主細胞自身代謝紊亂；（3）重構代謝通路將改變胞內代謝流向，造成具有毒副作用的代謝物的累積，如生物合成香草醛、間苯三酚時，宿主細胞的耐受性問題成為制約生產的瓶頸。上述問題所造成的代謝負擔（Metabolic burden），在微生物生長前期尤為顯著，如不經有效解決，將減少目標產物合成，導致胞內代謝流向不均衡，甚至阻滯細胞生長。
香草醛是可應用於食品、醫藥等領域的重要化合物。在生物合成時，香草醛對宿主菌有毒性，對細胞膜和胞內蛋白具有破壞作用。其抑制毒性在宿主菌生長前期表現尤為顯著。以大腸桿菌為宿主細胞合成香草醛的途徑之一是以阿魏酸為底物，經阿魏醯輔酶A合成酶（Fcs, trans-feruloyl-CoA synthetase）和烯醯基輔酶A水解酶／醛縮酶（Ech, enoyl-CoA hydratase/aldolase）兩步催化完成。中國科學院微生物研究所唐雙焱團隊通過巧妙篩選調控蛋白識別效應物的特異性，設計構建可不同程度響應底物阿魏酸和產物香草醛累積濃度的動態調控元件，由此調控香草醛合成相關基因（fcs, ech）表達，研究顯示受此調控元件控制的代謝通路在生物合成香草醛上比傳統的組成型啟動子、誘導型啟動子及基於群感效應構建的啟動子具有顯著優勢。在此基礎上，對啟動強度上做精細調控，以期緩解生長前期的代謝負擔，增加生長後期代謝活性，最終有效提高香草醛產量。此項工作進一步拓展了蛋白質定向進化手段在代謝工程研究中的應用，為天然產物生物合成途徑的設計構建提供了新的思路和調控元件。
該研究以Dynamic control of toxic natural product biosynthesis by an artificial regulatory circuit為題，12月20日在線發表於Metabolic Engineering 雜誌上。唐雙焱組助理研究員梁朝寧為論文第一作者，微生物所研究員唐雙焱和北京工商大學教授金建明為論文共同通訊作者。研究工作得到國家重點研發計劃（2018YFA0900701）和國家自然科學基金面上項目（31970080, 31971337, 31961133016，31971382）的資助。
圖1 動態調控元件應用於香草醛生物合成原理示意圖
圖2 基於HucR突變體構建的調控元件響應香草醛和阿魏酸
圖3 該研究調控元件應用於香草醛生物合成與其他元件在香草醛產量的比較
來源：中國科學院微生物研究所