微生物已被广泛用于治疗性植物代谢产物的商业规模生产，与传统的植物栽培方法相比有诸多优势，例如减少了水和土地的使用，具有更快、更可靠的生产周期以及更高的目标代谢产物的纯度。目前，微生物发酵用于商业生产青蒿素酸—抗疟药物青蒿素的直接前体。同时，微生物发酵正在开发规模化生产大麻素、阿片剂和托烷生物碱等药物前体。然而，规模化生产通常需要几年和数百人年才能完成，并且由于评估菌株和途径性能依赖于低通量分析方法，发展微生物发酵规模化生产在很大程度上受到了制约。
原核转录调节因子可以用作生物传感器，直接报告活细胞中的化合物生产途径性能，但是，由于缺乏生成特定生物传感器的方法，几乎没有适用于大多数植物代谢物的现存生物传感器。利用定向进化可能产生新的生物传感器特异性，但迄今为止已被证明相当有限，仅在对已知效应器或其类似物的响应性方面产生改进。
有鉴于此，University of Texas at Austin的Andrew D. Ellington团队及其合作者为了克服这个局限性，利用蛋白质的底物混杂性与其延展性，从具有宽泛底物范围的生物传感器出发，开发一种可以为不同化合物创建生物传感器的方法。
图片来源：Nat. Chem. Biol.
原核多药耐药调节因子，通常作为广谱抗生素耐药的介体进行研究，具有较大的底物结合口袋，并且通过非特异性相互作用识别大量结构多样的亲脂性分子。因此，以多药耐药调节因子RamR为起点，通过联合筛选和定向进化选择方法，开发了四氢罂粟碱（THP）、罂粟碱（PAP）、海罂粟碱（GLAU）、罗通定（ROTU）和那可汀（NOS）生物碱的高度特异性（>100倍偏好）和灵敏度（半数最大有效浓度（EC50）<30μM）生物传感器。
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这些传感器的高分辨率结构揭示了可延展效应器结合位点的多种进化途径，为不同的化学结构创建了新的底物口袋，以截然不同的方式与全新配体特异性相互作用。
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最后，为了证明这些传感器作为代谢工程工具的效果，该研究利用传感器设计并高效筛选了一种多功能植物生物碱甲基转移酶，用于生物合成THP。结果表明，这种定向进化生物传感器的方法能够快速构建治疗性生物碱的生物合成途径。
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参考文献：Using fungible biosensors to evolve improved alkaloid biosynthesis
Nat. Chem. Biol. DOI:10.1038/s41589-022-01072-w
原文作者：Simon d’Oelsnitz✉, Wantae Kim, Nathaniel T. Burkholder, Kamyab Javanmardi, Ross Thyer, Yan Zhang, Hal S. Alper and Andrew D. Ellington✉
https://doi.org/10.1038/s41589-022-01072-w
