导 读
目前细菌耐药性问题日益严峻，同时新药开发周期长、重复发现、效率低等困境愈发显著，因而微生物新颖活性天然产物高效筛选方法的开发受到极大关注。
近日，上海交大微生物代谢国家重点实验室邓子新团队康前进研究小组在国际权威期刊《Biosensors and Bioelectronics》上发表题为“Streptomyces-based whole-cell biosensors for detecting diverse cell envelope-targeting antibiotics”的研究论文。该研究开发了可定向挖掘靶向细胞被膜抗生素的链霉菌全细胞生物传感器，能够利用细胞内的特异性识别元件感知特定生物分子，具有低成本、易操作、高灵敏度和强特异性等特点，因此适用于微生物活性天然产物的高效筛选。上海交通大学博士研究生王珩瑜和盛勇为论文共同第一作者，康前进副研究员和丁伟特别研究员为共同通讯作者。
开发细菌全细胞生物传感器
加速糖肽类抗生素挖掘筛选
该工作首先采用比较转录组学策略，系统分析了天蓝色链霉菌M1146在四种不同类型的细胞被膜靶向抗生素（杆菌肽、黄霉素、万古霉素和多粘菌素E）刺激下的转录反应，将筛选到的可特异性感知糖肽类抗生素（细胞被膜靶向抗生素中最具代表性的一类）的VanS/R双组分系统作为出发点，以M1146为底盘菌株，通过一系列遗传改造将菌株的生长状态与糖肽类抗生素的存在相互偶联，构建了糖肽类抗生素依赖型全细胞生物传感器WHY01。
随后，将受VanS/R双组分系统调控的诱导性启动子PvanHAX作为生物传感器的感应模块，发光杆菌的luxCDABE基因作为报告模块，成功构建了可生物发光的糖肽类抗生素全细胞生物传感器WHY03，并系统性评估和表征了传感性能，证实了其在高效筛选与鉴定糖肽类抗生素产生菌方面的可靠性、准确性和高效性。通过组合使用WHY01和WHY03，可深入探究糖肽类抗生素生物合成基因簇的合成潜力，实现生物合成基因簇异源表达（WHY01）和原位表达（WHY03）的筛选和优化，从而加快糖肽类抗生素的挖掘速度。
图1 研究技术路线图
多方法结合，助力生物传感器检测由点到面
为进一步拓宽生物传感器的检测范围，实现由点（糖肽类抗生素）到面（细胞被膜靶向抗生素）的扩展。该工作将比较转录组学与启动子定向筛选相结合，开发了可定向检测包含糖肽类在内的各类细胞被膜靶向抗生素的全细胞生物传感器WHY04（图2）。研究人员对WHY04的传感性能进行了数学建模及大量性能测试实验表征，结果表明其背景响应低，且抗生素的检测浓度达到μg/mL级别。
图2 检测细胞被膜靶向抗生素的生物传感器的开发、性能表征
“交我算”加速科研成果产出
为了筛选可特异性感知糖肽类抗生素的VanS/R双组分系统，研究团队需要进行大规模数据处理以及数据建模与模拟，并对数据存储有着较高的要求。研究团队依托“交我算”π 2.0 平台的强大算力，对天蓝色链霉菌M1146进行了转录组学比较分析，成功筛选出用于开发抗生素敏感生物传感器的调控元件。分析结果发现有91个基因在4种靶向抗生素处理组（其中杆菌肽、黄霉素和万古霉素抑制了细胞壁的合成，多粘菌素E破坏了细胞膜的完整性）中存在共同差异表达，表明尽管抗生素靶点不同，但仍有一些保守的反应。GO富集显示，大多数基因参与体内平衡相关的生物过程。从分子功能的角度来说，这些共同差异表达的基因主要与跨膜转运蛋白复合物、ATP结合（ABC)转运蛋白复合物以及其他转运蛋白的功能相关。
图3 转录组分析
此外，团队也使用了“交我算”可视化平台上的RStudio进行科研绘图和统计分析。
图4 论文致谢“交我算”π 2.0 高性能计算平台
结 语
该工作以微生物药物合成生物学研究思路为指导，构建了可特异性检测各类靶向细胞被膜抗生素的全细胞生物传感器，能够高通量检测β-内酰胺类抗生素（如头孢菌素、氨苄青霉素）、糖肽类抗生素（如万古霉素、替考拉宁）和脂肽类抗生素（如多粘菌素B、多粘菌素E）等抗生素，动态响应范围最高可达887倍，检测时间仅需2小时，且具有明确的剂量-效应关系、无需添加额外化学反应试剂、无需对发酵样品进行预处理、背景响应低等优势。该生物传感器不仅在微生物药物筛选中具有较好应用，也为检测体液或高度污染等环境样本中的抗生素残留提供了潜在的工具。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566324000071
来源：上海交通大学生命科学技术学院