高性能大肠杆菌光控基因表达技术

Inducible gene expression systems in prokaryotic cells, especially E. coli., are mostly widely used in not only basic research but also bio-manufacturing; however, most current chemical inducible or temperature sensitive gene expression systems have limitations such as incapable to spatiotemporally and rapidly control protein expression in single cells, or to fine tune protein expression level accurately. Herein we aim to develop synthetic light sensitive repressors or anti-terminators, and further establish single-component light switchable gene expression in E. coli, with high induction, low background, rapid activation and reversibility, which allows us to control gene expression in bacteria cells with high spatiotemporal resolution. We will further apply this systems to control biological functions such as cell movement, cell lysis， regulate production of valuable proteins in bioreactor, and guide light sensitive bacteria to attack tumors in animal model. We anticipate that the light switchable systems developed in this project will be widely used in many fields of life science research and biotechnology, including microbiology, synthetic biology, biomanufacturing and advanced medicine.

原核细胞特别是大肠杆菌的诱导表达系统是目前最为广泛应用的基因表达系统，对生命科学研究与生物制造具有重要的意义。然而现有的化学诱导或温度诱导的大肠杆菌基因表达系统仍然存在一定的不足，难以在时间和空间上迅速可逆地控制蛋白质的表达，也难以对蛋白质表达的水平进行精密的量的调控。本研究拟基于合成生物学原理， 针对大肠杆菌设计光可控的阻遏蛋白或光可控的反转录终止因子，并进一步建立低背景、高诱导、低毒性，快速激活，高度可逆以及容易操纵的实用高性能光控基因表达系统，在大肠杆菌细胞上实现对功能基因表达的时间、空间双重精确控制。将探索利用这一技术控制运动、裂解等细胞功能，在生物反应器中诱导具有经济意义的蛋白质表达，以及利用基因改造的光敏大肠杆菌攻击肿瘤。这些光遗传学技术不仅将可为对微生物学、合成生物学等生命科学基础研究提供丰富有力工具，还可广泛用于生物制造与前沿医学领域。

基因表达产生蛋白质是生命的最本质特征之一，基因表达的调控对于生命现象研究与生物制造具有至关重要的意义。原核细胞基因表达系统，特别是大肠杆菌的诱导表达系统是目前最为广泛应用的基因表达系统。然而现有的化学诱导或温度诱导的大肠杆菌基因表达系统仍然存在一定的不足，缺乏时间和空间上的精确性，也难以对蛋白质表达的水平进行精密的量的调控。我们通过合成生物学的方法，在大肠杆菌中创造了多种不需要外源化合物协助，纯粹由基因编码的单个光控抑制阻遏蛋白，并以之为基础建立了低背景、高诱导、低毒性、容易操纵的eLightOff与eLightOn等原核细胞光控基因表达系统。可利用蓝光、绿光对基因表达进行控制，实现了高达10000倍的严谨调控，是目前已知最严谨原核基因表达系统。利用这些光控基因表达系统，我们在大肠杆菌细胞上实现了对细胞周期、运动、裂解相关功能基因表达的时间、空间双重精确控制，并在生物反应器中实现了重要蛋白质表达的精确控制。我们还将所发展的光控阻遏蛋白进一步发展为真核光控转录因子，实现了在酵母、哺乳动物细胞的基因表达。将LightOn系统与TetOn等化学诱导系统进行组合，进一步降低了LightOn系统的背景，实现光了对基因表达的严谨调控，并成功在转基因小鼠动物模型，实现对小鼠血糖水平的光控制。本项目发展的光遗传学技术不仅将可为对微生物学、合成生物学等生命科学基础研究提供丰富有力工具，还可广泛用于生物制造与前沿医学领域。