探索细菌种类间细胞质外功能转换的可转移性

胞外功能西格玛因子（ECFs）已成功用于在大肠杆菌等细菌中构建可预测的人工基因回路，但其在同一门内物种之间的可转移性仍然未知

现在，来自德国和澳大利亚的一组研究人员最近的一项研究探索了meliloti中华根瘤菌，确定了具有跨物种功能的ECF开关，构建了遗传回路，并为通用合成生物学应用提供了工具箱

在合成生物学领域，创造具有可预测结果的人工基因回路既是挑战也是必要的。胞外功能西格玛因子（ECFs）因其在细菌中启动转录的关键作用而备受关注，尤其是在应激条件下。广泛的研究对不同组的ECF进行了分类，展示了它们构建具有延迟基因激活的多步遗传回路的潜力

虽然这些回路在大肠杆菌等研究良好的细菌中显示出成功，但在同一门内，ECFs可以在多大程度上跨物种转移仍不确定

为了解决这一差距，来自合成微生物中心（SYNMIKRO）和菲利普大学生物系的Anke Becker教授；t、 德国，和她的团队调查了ECF开关从大肠杆菌转移到α-蛋白细菌中华根瘤菌meliloti。他们的研究发表在《生物设计研究》上

该团队在S.meliloti细菌中测试了20种不同的ECF开关，该细菌此前已在大肠杆菌中证明了其功能。这些交换机是根据其来源命名的，并具有系统标识符。他们将这些开关引入两种类型的S.meliloti菌株中&mdash；一种是正常野生型，另一种是没有自身ECF开关的改良菌株

他们发现，大肠杆菌的ECF转换可以成功转移到S.meliloti，成功率超过50%。重要的是，这些开关在两个宿主物种中都保留了它们的功能和正交性模式。研究发现，转录速率、翻译、蛋白质稳定性和宿主特异性特征等因素会影响S.meliloti中ECF开关的功能

Becker教授解释道：“我们很高兴观察到ECF在不同物种之间的转换具有如此高的可转移性和功能性。这表明，在一个细菌物种中开发的合成生物学方法有可能应用于广泛的生物体，从而扩大基因工程的范围。”

这项研究强调了在构建合成生物系统时了解遗传元素和宿主环境的重要性。通过全面调查这些因素，研究人员可以提高合成生物学应用的可预测性和可靠性

该研究的另一个关键发现是在S.meliloti和E.coli中观察到的ECF开关的广泛系统发育接受范围。与一些细菌物种对异源ECF开关表现出狭窄的接受范围不同，S.meliloti和E.coli对来自不同细菌类别和物种的开关表现出显著的耐受性

这表明这些物种可以作为合成生物学应用的通用宿主，有可能促进新的生物技术解决方案的开发

除了实验验证外，研究人员还采用计算预测来预选合适的ECF/启动子对，用于细菌宿主之间的转移。这些预测与实验数据相结合，为设计具有最小串扰和最佳性能的遗传电路提供了有价值的见解

通过利用计算预测和实验验证，研究人员可以加快设计-构建-测试周期，简化复杂遗传电路的开发

该研究还引入了一组单拷贝质粒载体，用于在S.meliloti中进行遗传回路的模块化组装。这些载体与分子克隆（MoClo）DNA组装方法兼容&mdash；合成生物学中用于将DNA片段精确有效地组装成更大构建体的模块化克隆方法为该细菌物种的基因工程提供了标准化平台

Becker教授表示：“我们的MoClo兼容质粒载体为研究人员提供了一个在S.meliloti中构建遗传回路的多功能工具包。这些载体简化了组装过程，促进了遗传回路的迭代优化，最终加快了合成生物学研究的步伐。”

总的来说，这项研究代表着合成生物学领域向前迈出的重要一步，证明了遗传开关在细菌物种之间的可转移性，并为复杂遗传回路的设计和工程提供了有价值的见解。随着进一步的研究和开发，这些发现有可能彻底改变各个行业，应对生物技术及其他领域的紧迫挑战