Nucleic Acids Research
基于QICi工具实现动态代谢调控的新策略

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本文开发了一种新型QS（群体感应）控制的I型CRISPRi工具（QICi），实现了Bacillus subtilis中D-泛酸（DPA）和核黄素（RF）生物合成的动态代谢调控。通过优化crRNA构建和QS组件，该系统在工业微生物代谢工程中展现出强大应用潜力。

 

文献概述
本文《A quorum sensing-controlled type I CRISPR interference toolkit for dynamically regulating metabolic flux》，发表于《Nucleic Acids Research》杂志，回顾并总结了合成生物学中利用QS和CRISPR系统实现动态代谢调控的最新进展。文章指出，虽然已有多种CRISPRi工具用于代谢工程，但将QS系统与CRISPRi结合用于自主调控仍具挑战。本文成功构建并优化了QICi 1.0和2.0系统，通过调控citZ、spo0A等关键节点基因，显著提升了DPA和RF的生物合成效率，展示了其在工业微生物改造和生物制造中的广泛应用前景。

背景知识
代谢工程旨在通过基因表达动态调控，优化微生物代谢通量以提高目标产物的合成效率。传统方法依赖化学诱导剂，但成本高、工业适用性差。近年来，自调控、无诱导剂的动态策略成为研究热点，尤其是基于群体感应（QS）的调控系统，因其不依赖特定代谢物，适用于多种生物合成途径。I型CRISPR系统相较II型具有更低的细胞毒性，但其crRNA构建复杂，限制了其在代谢工程中的广泛应用。本文通过简化crRNA构建流程并优化QS组件，开发了高效、可编程的QICi系统，为动态代谢调控提供了新的解决方案，具有广泛的应用潜力。

 

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研究方法与实验
本研究以Bacillus subtilis为底盘，整合PhrQ-RapQ-ComA QS系统与I型CRISPRi工具，构建QICi 1.0系统。随后通过简化crRNA重复序列构建流程、优化QS系统中rapQ和phrQ表达强度，开发出QICi 2.0工具。利用该工具动态调控citZ基因以平衡TCA循环与DPA合成，调控pfkA以增强PPP通量并提升RF产量。通过RT-qPCR、荧光报告系统、发酵实验等手段评估基因表达水平及代谢产物效价。

关键结论与观点

• 成功构建QICi 1.0系统，并通过简化crRNA构建流程，将构建时间从6天缩短至3天，提升系统效率。
• 优化QS系统后，P_srfAA启动子的调控效能提升，QICi 2.0–3和QICi 2.0–4在细胞密度高时实现更强的基因抑制。
• QICi 2.0系统动态调控citZ基因，显著提升DPA产量至14.97 g/L，且无需前体补充，实现高效生产。
• 通过QICi 2.0调控pfkA基因，使更多碳通量进入PPP，RF产量提升2.49倍，展示系统在多途径中的普适性。
• QICi系统在工业规模发酵中表现稳定，具有广泛适用于其他微生物底盘和代谢工程应用的潜力。

研究意义与展望
QICi系统为动态代谢调控提供了高效、可编程的工具，尤其适用于工业微生物改造和生物制造。该系统可避免传统诱导剂依赖，降低生产成本，提升产物效价。未来可拓展至其他代谢通路，优化更多生物合成过程，为合成生物学与生物工程提供坚实基础。

 

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结语
本文介绍了一种基于QS调控的I型CRISPRi工具QICi，用于动态调节B. subtilis代谢通量。通过优化crRNA构建与QS系统，该工具在DPA和RF生物合成中展现出显著提升效果。其自主调控能力、低细胞毒性及高效表达抑制，为工业微生物代谢工程提供了可靠工具。未来，该系统有望应用于更多生物合成路径，推动合成生物学在可持续制造领域的应用发展。

 

Han Zheng, Chengyao Mao, Siyao Chen, Shidi Hou, and Dongchang Sun. A quorum sensing-controlled type I CRISPRi toolkit for dynamically regulating metabolic flux. Nucleic Acids Research.