尽管公众对“赤藓糖醇”还有些陌生，但它已越来越频繁地出现在饮料或食品的配料表中。作为一种天然的四碳（C4）糖醇，赤藓糖醇广泛存在于水果、蔬菜及发酵类食品中。由于其物理化学性质稳定、生物安全性高，有一定甜味且不能被人体代谢吸收，因此被作为天然代糖（甜味剂）用于食品生产中。 近日，上海科技大学（以下简称上科大）物质科学与技术学院教授李健团队构建出多株能利用赤藓糖醇为唯一碳源生长的大肠杆菌。这种“吃”代糖的微生物原本为减碳“而生”，却意外被发掘出多种用途，有望对合成生物学、代谢工程及活体治疗、食品工业以及碳循环利用等领域产生积极影响。相关成果已在线发表于《先进科学》。
“研究这个问题的初衷是减碳。”李健告诉《中国科学报》，“赤藓糖醇是一种安全的代糖，它既能让人享受到甜味，又不必担心血糖升高或热量摄入过多。因此，最初的研究目标并非利用赤藓糖醇的能量。” 人体摄入葡萄糖、果糖等糖类后，一部分进入肠道后会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，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，目前市售饮料、食品也逐步开始用赤藓糖醇来做代糖。因此，李健团队想弄清楚，能否用模式菌（大肠杆菌）来代谢赤藓糖醇。 “虽然大肠杆菌无法代谢赤藓糖醇，但它却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，我们就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，用它来改造大肠杆菌。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利用掉。”该论文第一作者、上科大物质学院博士研究生巴方说。 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（五个酶蛋白eryA、eryB、eryC、eryH、eryI），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时的菌群密度。
赤藓糖醇的代谢。受访者供图
实验中，研究人员选取两株大肠杆菌（其中包括一种对人体无害的肠道益生菌Nissle 1917）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，它能实现大肠杆菌对赤藓糖醇作为唯一碳源的响应与利用。 “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。”李健补充说，“当赤藓糖醇进入菌体后，就能启动它下游编码蛋白的表达。这样我们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。” 利用这种基因调控单元的“开关”功能，人们可以在益生菌里表达某种有治疗作用的药物活性蛋白或小分子化合物。比如，在肿瘤治疗时，人们会使用一些活体菌“攻击”肿瘤细胞，如果有了这种调控能力，在活体菌未到达肿瘤部位前就可以处于“休眠”状态，以保护人体正常细胞不受伤害，当活体菌到达肿瘤病灶后再“发动攻击”。 “这相当于有了一枚定时炸弹，想让它什么时间启动就什么时间启动。”李健同时强调，“虽然发现有很多可能的应用场景，比如可以应用于生物医学治疗等方面，但我们尚未开展这方面的研究，目前只是开发了这样一个可能的基础应用体系。”
“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。”该论文评审人认为，这种通过改造大肠杆菌利用四碳糖的思路以前未见报道，它填补了六碳（如葡萄糖）和一碳（如二氧化碳）间碳源谱的空白，扩充了碳源利用范围。另一方面，它能起到独特的调控（响应）作用，可以利用大肠杆菌做更多的事情。 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）中进行生长，这为开发以其为宿主的益生菌进行活体治疗提供了研究基础。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”可能会对人体造成伤害。这些小分子在培养瓶中进行实验没问题，但应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。 “ 这项工作利用‘设计-构建-验证-学习’的合成生物学研究思路，首次实现了大肠杆菌利用C4化合物作为唯一碳源进行生长，填补了相关领域的研究空白。我们鉴定的赤藓糖醇代谢通路及其转录调控因子，为合成生物学领域提供了新的标准化生物元件及基因线路，有望对合成生物学、代谢工程、活体治疗、食品工业以及碳循环利用等领域产生积极影响。”李健说。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1002/advs.202207008
来源 | 中国科学报
撰稿 | 张双虎
责编 | 高瑄 管舜瑛
