近日，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》在线发表题为“Streptomyces-based whole-cell biosensors for detecting diverse cell envelope-targeting antibiotics”的研究论文，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。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。
目前细菌耐药性问题日益严峻，同时面临新药开发周期长、重复发现、效率低等困境，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。细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。
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。
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1）。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1 研究技术路线图
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。
该工作得到国家重点研发计划、合成生物学海河实验室攻关项目和上海交通大学医工交叉联合项目等支持，还得到邓子新教授、白林泉教授、林双君教授、陶美凤教授以及中科院天津工业生物技术研究所的徐敏研究员的大力支持。特别感谢上海交通大学生命科学技术学院仪器共享平台和上海交通大学超算中心π2.0集群平台提供的技术支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116004
