L-半胱氨酸是重要的含硫氨基酸，在農業、醫藥、日化、食品添加劑等行業應用廣泛。然而，高濃度L-半胱氨酸具有一定的細胞毒性，在細胞內L-半胱氨酸的合成受到多水平的代謝調控，同時關于L-半胱氨酸細胞代謝調控的認識尚且缺乏，因而通過傳統的敲除、過表達等策略較難實現L-半胱氨酸的高效生產。高通量篩選技術是實現菌種定向進化的有力工具，可在缺乏遺傳背景的條件下，從大型隨機突變體文庫中快速篩選出特定的遺傳表型。目前，尚無關于L-半胱氨酸高通量篩選方法的報道，限制了L-半胱氨酸工業發酵菌株的開發。 

　　中國科學院天津工業生物技術研究所研究員劉君帶領的微生物生理和代謝工程研究組，利用響應L-半胱氨酸的轉錄調控因子，開發了L-半胱氨酸生物傳感器，并建立了L-半胱氨酸高通量篩選平臺。相關研究成果發表在Metabolic Engineering上。 

　　研究通過體內L-半胱氨酸響應實驗、體外凝膠阻滯遷移（EMSA）實驗和DNA足跡實驗，初步解析了轉錄調控因子CcdR的調控機理，建立了CcdR轉錄調控模型，發現了CcdR能夠特異性結合L-半胱氨酸，結合到特定啟動子P_ccdA上游DNA序列上，招募RNA聚合酶激活下游P_ccdA啟動子的表達。基于上述原理，科研人員將胞內L-半胱氨酸濃度輸入信號與熒光強度的輸出信號相偶聯，開發設計出L-半胱氨酸生物傳感器，實現了對胞內L-半胱氨酸濃度的實時監測。 

　　為了進一步提升L-半胱氨酸生物傳感器的響應靈敏性和響應強度，科研人員采用多策略優化L-半胱氨酸生物傳感器。研究通過轉錄調控因子半理性設計改造、轉錄調控因子表達優化以及響應啟動子的截短測試等策略，顯著提升了L-半胱氨酸生物傳感器的響應靈敏性和動態范圍。進一步，研究將構建的L-半胱氨酸生物傳感器與流式細胞分選技術（FACS）偶聯，構建了L-半胱氨酸高通量篩選平臺，并分別應用于L-半胱氨酸合成途徑關鍵酶的定向進化和L-半胱氨酸高產菌株的篩選。最終，將關鍵酶絲氨酸乙酰轉移酶活性提升了七倍多，并獲得了10株L-半胱氨酸產量顯著提升的突變體菌株。 

　　該研究構建的L-半胱氨酸高通量篩選平臺具有高特異性、高靈敏性及高分選效率等特點，能夠從大規模突變體文庫中篩選具有較高生產能力的突變體菌株，為L-半胱氨酸工業菌株的進化和篩選提供了有力工具，可以加快菌種的改造和優化進程，在L-半胱氨酸及其相關產品的生產方面具有較大的應用潛力。 

　　研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、天津市自然科學基金、天津市合成生物技術創新能力提升行動及中國博士后科學基金等的支持。 

轉錄調控因子CcdR調控模型

L-半胱氨酸高通量篩選平臺的建立